การค้นพบปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์โดยOtto HahnและFritz Strassmannในปี 1938 และคำอธิบายเชิงทฤษฎีโดยLise MeitnerและOtto Frischทำให้การสร้างระเบิดปรมาณูโดยใช้ยูเรเนียมเป็นไปได้ในทางทฤษฎี มีความกังวลว่าโครงการระเบิดปรมาณูของเยอรมนีจะพัฒนาระเบิดดังกล่าวได้ก่อน^{[ 4 ]}ในเดือนสิงหาคม 1939 Leo SzilardและEugene Wignerได้ร่างจดหมาย Einstein–Szilardซึ่งเตือนถึงศักยภาพในการพัฒนา "ระเบิดที่มีอานุภาพมหาศาลชนิดใหม่" จดหมายฉบับนี้กระตุ้นให้สหรัฐอเมริกาจัดหาแร่ยูเรเนียมและเร่งการวิจัยของEnrico Fermiและคนอื่นๆ เกี่ยวกับปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ พวกเขาให้Albert Einstein ลงนาม และส่งมอบให้กับประธานาธิบดีFranklin D. Roosevelt ^{[ 5 ]}

รูสเวลต์เรียกไลแมน บริกส์มาเป็นหัวหน้าคณะกรรมการที่ปรึกษาเกี่ยวกับยูเรเนียมบริกส์ได้พบกับซิลาร์ด วิกเนอร์ และเอ็ดเวิร์ด เทลเลอร์ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2482 ^{[ 5 ]}คณะกรรมการรายงานกลับไปยังรูสเวลต์ในเดือนพฤศจิกายนว่ายูเรเนียม "จะเป็นแหล่งที่มาของระเบิดที่มีพลังทำลายล้างมากกว่าที่รู้จักในปัจจุบันอย่างมาก" ^{[ 6 ]}ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2483 กองทัพเรือสหรัฐฯมอบเงิน 6,000 ดอลลาร์ ให้ กับมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย^{[ 7 ]}ซึ่งเฟอร์มิและซิลาร์ดใช้ไปกับกราไฟต์ เป็นส่วนใหญ่ ทีมศาสตราจารย์จากโคลัมเบีย ซึ่งรวมถึงเฟอร์มิ ซิลาร์ดยูจีน ที. บูธและจอห์น ดันนิง ได้สร้างปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์ครั้งแรกในทวีปอเมริกา ซึ่งเป็นการยืนยันผลงานของฮาห์นและสตรัสส์มันน์ ทีมเดียวกันนี้ได้สร้าง เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ต้นแบบ (หรือ "กอง" ตามที่เฟอร์มิเรียก) หลายชุด ใน อาคารปูพินที่โคลัมเบีย แต่ยังไม่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้^{[ 8 ]}

นักวิทยาศาสตร์บางคนที่คุ้นเคยกับงานของคณะกรรมการของบริกส์มองว่างานนั้นไม่มีความเร่งด่วนเพียงพอคาร์ล ที. คอมป์ตันบ่นในต้นปี 1941 ว่า:

เมื่อผมวิเคราะห์สถานการณ์ บริกส์ซึ่งโดยธรรมชาติแล้วเป็นคนเชื่องช้า อนุรักษ์นิยม มีระเบียบแบบแผน และคุ้นเคยกับการทำงานตามจังหวะของสำนักงานรัฐบาลในยามสงบ ได้ดำเนินนโยบายที่สอดคล้องกับคุณสมบัติเหล่านี้ และยังถูกจำกัดเพิ่มเติมด้วยข้อกำหนดเรื่องความลับอีกด้วย . . . เมื่อพิจารณาในฐานะองค์ประกอบของภาวะฉุกเฉินสงครามในปัจจุบัน ความเร็วในการบรรลุเป้าหมายย่อมมีความสำคัญมากกว่าความลับที่มากเกินไป ดังที่จะเห็นได้อย่างชัดเจนหากนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันสามารถนำแอปพลิเคชันบางอย่างไปใช้งานได้จริง^{[ 9 ]}

เมื่อคณะกรรมการวิจัยการป้องกันประเทศ (NDRC) ก่อตั้งขึ้นเมื่อวันที่ 27 มิถุนายน พ.ศ. 2483 เพื่อประสานงานการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ คณะกรรมการที่ปรึกษาเกี่ยวกับยูเรเนียมจึงถูกรวมเข้ากับองค์กร^{[ 10 ]}เมื่อวันที่ 28 มิถุนายน พ.ศ. 2484 รูสเวลต์ได้ลงนามในคำสั่งบริหารหมายเลข 8807ซึ่งจัดตั้งสำนักงานวิจัยและพัฒนาวิทยาศาสตร์ (OSRD) ^{[ 11 ]}ภายใต้ผู้อำนวยการแวนเนวาร์ บุชสำนักงานนี้ได้รับอำนาจให้ดำเนินงานวิจัยและโครงการวิศวกรรมขนาดใหญ่ และถูกเปลี่ยนเป็นแผนกยูเรเนียมของ OSRD ทันที^{[ 12 ]}ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2484 บริกส์เสนอให้ใช้เงิน 167,000 ดอลลาร์ในการวิจัยยูเรเนียม โดยเฉพาะ ไอโซโทป ยูเรเนียม-235และพลูโทเนียม [ ^{12 ]}ซึ่งถูกแยกออกมาเป็นครั้งแรกที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2484 ^{[ 13 ] [ a ] ​​อย่างไรก็ตาม งานวิจัยยังคงดำเนินการในระดับและขอบเขตที่ค่อนข้างเล็ก เนื่องจากบุชและผู้ บริหาร}คนอื่นๆ ยังคงไม่แน่ใจว่างานวิจัยจะประสบความสำเร็จได้อย่างรวดเร็ว^{[ 9 ]}

ในสหราชอาณาจักร Frisch และRudolf Peierlsที่มหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮมได้ค้นพบความก้าวหน้าในการตรวจสอบมวลวิกฤตของยูเรเนียม-235 ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2482 ^{[ 15 ]}การคำนวณของพวกเขาบ่งชี้ว่า มวล วิกฤตนั้นอยู่ในช่วงประมาณ10 กิโลกรัม (22 ปอนด์)ซึ่งเล็กพอที่จะบรรทุกโดยเครื่องบินทิ้งระเบิดในยุคนั้นได้^{[ 16 ]}บันทึก Frisch–Peierlsในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2483 ได้ริเริ่มโครงการระเบิดปรมาณูของอังกฤษและคณะกรรมการ MAUD [ ^{17 ]}ซึ่งแนะนำเป็นเอกฉันท์ให้ดำเนินการพัฒนาระเบิดปรมาณูต่อไป^{[ 16 ] ใน}เดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2483 สหราชอาณาจักรได้เสนอให้สหรัฐอเมริกาเข้าถึงงานวิจัยของตน^{[ 18 ]}และJohn Cockcroftจาก คณะ Tizard Missionได้บรรยายสรุปให้นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันทราบเกี่ยวกับการพัฒนาของอังกฤษ เขาค้นพบว่าโครงการของอเมริกาเล็กกว่าของอังกฤษและไม่ก้าวหน้าเท่า^{[ 19 ]} 

ในส่วนหนึ่งของการแลกเปลี่ยนทางวิทยาศาสตร์ ผลการค้นพบของคณะกรรมการ MAUD ได้ถูกถ่ายทอดไปยังสหรัฐอเมริกา หนึ่งในสมาชิกของคณะกรรมการ นักฟิสิกส์ชาวออสเตรเลียมาร์ค โอลิแฟนท์ได้เดินทางไปยังสหรัฐอเมริกาในช่วงปลายเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2484 และพบว่าข้อมูลที่คณะกรรมการ MAUD จัดหามานั้นไม่ได้ไปถึงนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันคนสำคัญ โอลิแฟนท์จึงเริ่มค้นหาสาเหตุว่าทำไมผลการค้นพบของคณะกรรมการจึงดูเหมือนถูกละเลย เขาได้พบกับคณะกรรมการยูเรเนียมและไปเยือนเบิร์กลีย์ รัฐแคลิฟอร์เนียซึ่งเขาได้พูดคุยโน้มน้าวใจเออร์เนสต์ โอ. ลอว์เร นซ์ ล อว์เรนซ์ประทับใจมากพอที่จะเริ่มทำการวิจัยเกี่ยวกับยูเรเนียมด้วยตนเอง จากนั้นเขาก็ได้พูดคุยกับเจมส์ บี. โคนันต์ อา ร์เธอร์ เอช. คอมป์ตันและจอร์จ บี . เพแกรม ภารกิจของโอลิแฟนท์จึงประสบความสำเร็จ นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันคนสำคัญต่างตระหนักถึงศักยภาพของระเบิดปรมาณูแล้ว^{[ 20 ] [ 21 ]}

เมื่อวันที่ 9 ตุลาคม พ.ศ. 2484 ประธานาธิบดีรูสเวลต์อนุมัติให้เร่งโครงการอะตอม เขาสร้างกลุ่มนโยบายระดับสูงซึ่งประกอบด้วยตัวเขาเอง—แม้ว่าเขาจะไม่เคยเข้าร่วมการประชุมเลยก็ตาม—รองประธานาธิบดีเฮนรี เอ. วอลเลซ แวนเนวาร์ บุช คอนันต์รัฐมนตรีว่าการกระทรวงกลาโหมเฮนรี แอล. สติมสันและเสนาธิการกองทัพบกพลเอกจอร์จ ซี . มาร์แชลล์ รูสเวลต์เลือกกองทัพบกให้ดำเนินโครงการแทนกองทัพเรือ เพราะกองทัพบกมีประสบการณ์มากกว่าในการจัดการการก่อสร้างขนาดใหญ่ เขาตกลงที่จะประสานงานกับอังกฤษ และเมื่อวันที่ 11 ตุลาคม ได้ส่งข้อความถึงนายกรัฐมนตรีวินสตัน เชอร์ชิลล์แนะนำให้พวกเขาติดต่อกันในเรื่องอะตอม^{[ 22 ]}ในช่วงเวลานี้ บุชได้เริ่มขยายและเปลี่ยนแปลงผู้นำของส่วนยูเรเนียมของ OSRD โดยยังคงบริกส์เป็นประธาน แต่เพิ่มและเลื่อนตำแหน่งบุคลากรอื่น ๆ ส่วนนี้ได้รับการเปลี่ยนชื่อเป็นส่วน S-1 ^{[ 23 ] [ 24 ]}

การประชุมคณะกรรมการ S-1 เมื่อวันที่ 18 ธันวาคม พ.ศ. 2484 นั้น "เต็มไปด้วยบรรยากาศแห่งความกระตือรือร้นและความเร่งด่วน" ^{[ 25 ]}อันเนื่องมาจากการโจมตีเพิร์ลฮาร์เบอร์และการประกาศสงครามของสหรัฐอเมริกาต่อญี่ปุ่นและเยอรมนี[ ^{26 ] งาน} วิจัยเกี่ยวกับเทคนิค การแยกไอโซโทปสามวิธีได้ดำเนินไปอย่างต่อเนื่องโดยลอว์เรนซ์และทีมงานของเขาที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียได้ทำการวิจัย เกี่ยวกับ การแยกด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทีมของเอเกอร์ เมอร์ฟรีย์และเจสซี เวกฟิลด์ บีมส์ ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับ การแพร่กระจายของก๊าซที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบียและฟิลิป แอเบลสันได้กำกับการวิจัยเกี่ยวกับการแพร่กระจายความร้อนที่สถาบันคาร์เนกีแห่งวอชิงตันและต่อมาที่ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือ^{[ 27 ]}เมอร์ฟรีย์ยังเป็นหัวหน้างานของโครงการแยกสารที่บีมส์เป็นผู้กำกับ ซึ่งทำการวิจัยเกี่ยวกับการใช้ เครื่อง เหวี่ยงแก๊ส^{[ 28 ]}ในขณะเดียวกัน มีแนวทางการวิจัยสองแนวทางเกี่ยวกับเทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์โดยใช้ตัวลดความเร็วของนิวตรอนที่ แตกต่างกัน : ฮาโรลด์ ยูเรย์วิจัย เครื่องปฏิกรณ์ น้ำหนักเบาที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย ในขณะที่อาร์เธอร์ คอมป์ตัน จัดตั้งห้องปฏิบัติการโลหะวิทยาที่มหาวิทยาลัยชิคาโกในช่วงต้นปี 1942 เพื่อศึกษาพลูโตเนียมและเครื่องปฏิกรณ์ที่ลดความเร็วด้วยกราไฟต์^{[ 29 ]}

คณะกรรมการ S-1 แนะนำให้ดำเนินการเทคโนโลยีทั้งห้าอย่างพร้อมกัน ซึ่งได้รับการอนุมัติจากบุช คอนันต์ และพลตรีวิลเฮล์ม ดี. สไตเออร์ผู้ซึ่งได้รับแต่งตั้งให้เป็นตัวแทนของกองทัพบกในเรื่องนิวเคลียร์^{[ 27 ]}จากนั้นบุชและคอนันต์ได้นำข้อแนะนำดังกล่าวไปยังกลุ่มนโยบายระดับสูงพร้อมกับข้อเสนองบประมาณ 54  ล้านดอลลาร์สำหรับการก่อสร้างโดยกองทัพบกสหรัฐฯ 31  ล้านดอลลาร์สำหรับการวิจัยและพัฒนาโดย OSRD และ 5  ล้านดอลลาร์สำหรับเหตุการณ์ฉุกเฉินในปีงบประมาณ 1943 พวกเขาอ้างถึงความกลัวระเบิดปรมาณูของเยอรมนีเป็นเหตุผล ข้อเสนอดังกล่าวแนะนำให้เลือกสถานที่ใหม่สำหรับการวิจัยและการผลิต กำหนดลำดับความสำคัญในการผลิต และให้โครงการทั้งหมดอยู่ภายใต้กฎระเบียบด้านความปลอดภัยที่เข้มงวด เมื่อวันที่ 17 มิถุนายน 1942 ประธานาธิบดีรูสเวลต์ได้อนุมัติข้อแนะนำดังกล่าว^{[ 27 ]}

หัวหน้าวิศวกรพลตรียูจีน เรย์โบลด์ได้เลือกพันเอกเจมส์ ซี. มาร์แชลล์ให้เป็นหัวหน้าฝ่ายโครงการของกองทัพบกในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2485 มาร์แชลล์ได้จัดตั้งสำนักงานประสานงานในกรุงวอชิงตัน ดี.ซี. แต่ได้จัดตั้งสำนักงานใหญ่ชั่วคราวที่270 บรอดเวย์ในนิวยอร์ก ซึ่งเขาสามารถดึงการสนับสนุนด้านการบริหารจากกองวิศวกรภาคแอตแลนติกเหนือได้ ที่ตั้งอยู่ใกล้กับสำนักงานแมนฮัตตันของสโตน แอนด์ เว็บสเตอร์ผู้รับเหมาหลักของโครงการ และมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย เขาได้รับอนุญาตให้ดึงเจ้าหน้าที่จากหน่วยบัญชาการเดิมของเขา เขตซีราคิวส์ และเขาเริ่มต้นด้วยพันโท เคนเนธ นิโคลส์ซึ่งต่อมาได้เป็นรองหัวหน้าของเขา^{[ 30 ] [ 31 ]}

เนื่องจากภารกิจส่วนใหญ่ของเขาเกี่ยวข้องกับการก่อสร้าง มาร์แชลล์จึงทำงานร่วมกับหัวหน้ากองวิศวกรก่อสร้าง พลตรี โทมัส เอ็ม. โรบินส์และรองหัวหน้า พันเอกเลสลี โกรฟส์ เรย์โบลด์ ซอมเมอร์เวลล์ และสไตเออร์ ตัดสินใจเรียกโครงการนี้ว่า "การพัฒนาวัสดุทดแทน" แต่โกรฟส์รู้สึกว่าชื่อนี้จะดึงดูดความสนใจ เนื่องจากโดยปกติแล้วเขตวิศวกรจะใช้ชื่อเมืองที่ตั้งอยู่ มาร์แชลล์และโกรฟส์จึงตกลงที่จะตั้งชื่อหน่วยงานของกองทัพบกว่า เขตแมนฮัตตัน เรย์โบลด์ได้จัดตั้งเขตนี้อย่างเป็นทางการในวันที่ 13 สิงหาคม อย่างไม่เป็นทางการ เขตนี้รู้จักกันในชื่อ เขตวิศวกรแมนฮัตตัน หรือ MED ซึ่งแตกต่างจากเขตอื่นๆ ตรงที่ไม่มีขอบเขตทางภูมิศาสตร์ และมาร์แชลล์มีอำนาจเทียบเท่าวิศวกรประจำกอง การพัฒนาวัสดุทดแทนยังคงเป็นชื่อรหัสอย่างเป็นทางการของโครงการโดยรวม แต่ต่อมาถูกแทนที่ด้วย "แมนฮัตตัน" ^{[ 31 ] [ 32 ]}

ต่อมามาร์แชลล์ยอมรับว่า “ผมไม่เคยได้ยินเรื่องการแตกตัวของอะตอมมาก่อน แต่ผมรู้ว่าคุณไม่สามารถสร้างโรงงานได้มากนัก ยิ่งกว่านั้นคือสร้างได้ถึงสี่โรงงานด้วยงบประมาณ 90  ล้านดอลลาร์” ^{[ 33 ]} โรงงานผลิต ทีเอ็นทีแห่งเดียวที่นิโคลส์เพิ่งสร้างในเพนซิลเวเนียมีค่าใช้จ่าย 128  ล้าน ดอลลาร์ ^{[ 34 ]}พวกเขายังไม่ประทับใจกับการประมาณการที่ใกล้เคียงที่สุด ซึ่งโกรฟส์เปรียบเทียบกับการบอกให้ผู้จัดเลี้ยงเตรียมอาหารสำหรับแขก 10 ถึง 1,000 คน^{[ 35 ]}ทีมสำรวจจากสโตนแอนด์เวบสเตอร์ได้สำรวจพื้นที่สำหรับโรงงานผลิตแล้วคณะกรรมการการผลิตสงครามแนะนำพื้นที่รอบๆน็อกซ์วิลล์ รัฐเทนเนสซีซึ่งเป็นพื้นที่ห่างไกลที่หน่วยงานเทนเนสซีแวลลีย์สามารถจัดหาพลังงานไฟฟ้าได้อย่างเพียงพอ และแม่น้ำสามารถจัดหาน้ำหล่อเย็นสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ได้ หลังจากตรวจสอบหลายพื้นที่แล้ว ทีมสำรวจได้เลือกพื้นที่หนึ่งใกล้กับเอลซา รัฐเทนเนสซีคอนันต์แนะนำให้ซื้อทันที สไตเออร์เห็นด้วย แต่มาร์แชลล์ชะลอไว้ก่อน รอผลการทดลองเครื่องปฏิกรณ์ของคอนันต์^{[ 36 ]}ในบรรดากระบวนการที่คาดการณ์ไว้ มีเพียงการแยกด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าของลอว์เรนซ์เท่านั้นที่ดูเหมือนจะมีความก้าวหน้าเพียงพอสำหรับการเริ่มต้นก่อสร้าง^{[ 37 ]}

มาร์แชลล์และนิโคลส์เริ่มรวบรวมทรัพยากรที่จำเป็น ขั้นตอนแรกคือการได้รับการจัดอันดับความสำคัญสูงสำหรับโครงการ การจัดอันดับสูงสุดคือ AA-1 ถึง AA-4 ตามลำดับ แม้ว่าจะมีการจัดอันดับ AAA พิเศษที่สงวนไว้สำหรับกรณีฉุกเฉิน การจัดอันดับ AA-1 และ AA-2 สำหรับอาวุธและอุปกรณ์ที่จำเป็น ดังนั้นพันเอกลูเซียส ดี. เคลย์รองเสนาธิการฝ่ายบริการและจัดหาสำหรับความต้องการและทรัพยากร จึงรู้สึกว่าการจัดอันดับสูงสุดที่เขาสามารถกำหนดได้คือ AA-3 แม้ว่าเขาจะยินดีให้การจัดอันดับ AAA ตามคำขอสำหรับวัสดุที่สำคัญหากจำเป็น^{[ 38 ]}นิโคลส์และมาร์แชลล์รู้สึกผิดหวัง AA-3 มีลำดับความสำคัญเท่ากับโรงงาน TNT ของนิโคลส์ในเพนซิลเวเนีย^{[ 39 ]}

ในฤดูใบไม้ผลิปี 1942 อาร์เธอร์ คอมป์ตัน ได้ขอให้นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเจ. โรเบิร์ต ออปเพนไฮ เมอร์ จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เข้ามาดูแลงานวิจัยเกี่ยวกับการคำนวณนิวตรอนเร็วซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการคำนวณมวลวิกฤตและการระเบิดของอาวุธ ต่อจากเกรกอรี ไบรต์ผู้ซึ่งลาออกเมื่อวันที่ 18 พฤษภาคม 1942 เนื่องจากกังวลเกี่ยวกับความปลอดภัยในการปฏิบัติงานที่หละหลวม^{[ 40 ]}จอห์น เอช. แมนลีย์นักฟิสิกส์จากห้องปฏิบัติการโลหะวิทยา ได้รับมอบหมายให้ช่วยเหลือออปเพนไฮเมอร์โดยการประสานงานกลุ่มฟิสิกส์เชิงทดลองที่กระจายอยู่ทั่วประเทศ^{[ 41 ]}ออปเพนไฮเมอร์และโรเบิร์ต เซอร์เบอร์จากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ได้ตรวจสอบปัญหา การแพร่กระจาย ของนิวตรอนซึ่งเป็นการเคลื่อนที่ของนิวตรอนในปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ และอุทกพลศาสตร์ซึ่งเป็นพฤติกรรมของการระเบิดที่เกิดจากปฏิกิริยาลูกโซ่^{[ 42 ]}

เพื่อทบทวนงานนี้และทฤษฎีทั่วไปของปฏิกิริยาฟิชชัน Oppenheimer และ Fermi ได้จัดการประชุมที่มหาวิทยาลัยชิคาโกในเดือนมิถุนายนและที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2485 กับนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีHans Bethe , John Van Vleck , Edward Teller, Emil Konopinski , Robert Serber, Stan Frankelและ Eldred C. (Carlyle) Nelson และนักฟิสิกส์เชิงทดลองEmilio Segrè , Felix Bloch , Franco Rasetti , Manley และEdwin McMillanพวกเขายืนยันเบื้องต้นว่าระเบิดฟิชชันนั้นเป็นไปได้ในทางทฤษฎี^{[ 42 ]}

คุณสมบัติของยูเรเนียม-235 บริสุทธิ์ยังไม่เป็นที่รู้จักมากนัก เช่นเดียวกับคุณสมบัติของพลูโทเนียม ซึ่งเพิ่งถูกแยกออกมาโดยเกล็น ซีบอร์กและทีมของเขาในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2484 นักวิทยาศาสตร์ในการประชุมเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2485 ได้จินตนาการถึงการสร้างพลูโทเนียมในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ โดยที่อะตอมของยูเรเนียม-238 จะดูดซับนิวตรอนที่ปล่อยออกมาจากการแตกตัวของยูเรเนียม-235 ณ จุดนี้ยังไม่มีการสร้างเครื่องปฏิกรณ์ และมีพลูโทเนียมเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่ได้จากไซโคลตรอน [ ^{13 ] แม้}กระทั่งในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2486 ก็มีการผลิตพลูโทเนียมเพียงสองมิลลิกรัมเท่านั้น^{[ 43 ]}มีหลายวิธีในการจัดเรียงวัสดุฟิสไซล์ให้เป็นมวลวิกฤต วิธีที่ง่ายที่สุดคือการยิง "ปลั๊กทรงกระบอก" เข้าไปในทรงกลมของ "วัสดุที่ใช้งาน" ด้วย "ตัวอัด" ซึ่งเป็นวัสดุที่มีความหนาแน่นสูงเพื่อโฟกัสนิวตรอนเข้าด้านในและรักษามวลที่ทำปฏิกิริยาไว้ด้วยกันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ^{[ 44 ]}พวกเขายังได้สำรวจการออกแบบที่เกี่ยวข้องกับทรงกลมซึ่งเป็นรูปแบบดั้งเดิมของ " การยุบตัว " ที่ริชาร์ด ซี. โทลแมน เสนอ แนะ และความเป็นไปได้ของวิธีการเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของระเบิดเมื่อระเบิด^{[ 45 ]}

เนื่องจากแนวคิดเรื่องระเบิดฟิสชันได้รับการสรุปทางทฤษฎีแล้ว—อย่างน้อยก็จนกว่าจะมีข้อมูลการทดลองเพิ่มเติม—เอ็ดเวิร์ด เทลเลอร์จึงผลักดันให้มีการอภิปรายเกี่ยวกับระเบิดที่มีอานุภาพมากกว่า นั่นคือ "ซูเปอร์" ซึ่งปัจจุบันมักเรียกว่า " ระเบิดไฮโดรเจน " ซึ่งจะใช้แรงจากการระเบิดของระเบิดฟิสชันเพื่อจุดประกาย ปฏิกิริยา นิวเคลียร์ฟิวชันในดิวเทอเรียมและทริเทียม [ ^{46 ] เท}ลเลอร์เสนอแผนการต่างๆ มากมาย แต่เบธปฏิเสธทุกแผน แนวคิดเรื่องฟิวชันจึงถูกละทิ้งไปเพื่อมุ่งเน้นไปที่การผลิตระเบิดฟิสชัน^{[ 47 ]}เทลเลอร์ได้ยกความเป็นไปได้เชิงคาดการณ์ว่าระเบิดปรมาณูอาจ "จุดประกาย" บรรยากาศเนื่องจากปฏิกิริยาฟิวชันสมมุติของนิวเคลียสไนโตรเจน^{[ b ]}เบธคำนวณว่ามัน "ไม่น่าเป็นไปได้อย่างยิ่ง" ^{[ 49 ]}รายงานหลังสงครามที่เทลเลอร์ร่วมเขียนสรุปว่า "ไม่ว่าอุณหภูมิของส่วนหนึ่งของบรรยากาศจะถูกทำให้ร้อนถึงเท่าใด ก็ไม่น่าจะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ต่อเนื่องขึ้นได้" ^{[ 50 ]}ในบันทึกของเซอร์เบอร์ โอปเพนไฮเมอร์ได้กล่าวถึงความเป็นไปได้ของสถานการณ์นี้กับอาร์เธอร์ คอมป์ตันซึ่ง “ไม่มีสติปัญญามากพอที่จะหุบปากเกี่ยวกับเรื่องนี้ มันเข้าไปอยู่ในเอกสารที่ส่งไปยังวอชิงตัน” และ “ไม่เคยถูกจัดการให้เรียบร้อย” ^{[ c ]}

Vannevar Bush รู้สึกไม่พอใจกับความล้มเหลวของพันเอก Marshall ในการทำให้โครงการดำเนินไปอย่างรวดเร็ว^{[ 53 ]}และรู้สึกว่าจำเป็นต้องมีผู้นำที่กระตือรือร้นมากขึ้น เขาได้พูดคุยกับHarvey Bundyและนายพล Marshall, Somervell และ Styer เกี่ยวกับข้อกังวลของเขา โดยสนับสนุนให้โครงการอยู่ภายใต้คณะกรรมการนโยบายอาวุโส โดยมีนายทหารที่มีชื่อเสียง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Styer เป็นผู้อำนวยการ^{[ 39 ]}

ซอมเมอร์เวลล์และสไตเออร์เลือกโกรฟส์ให้ดำรงตำแหน่งดังกล่าว พลเอกมาร์แชลล์สั่งให้เลื่อนตำแหน่งเขาเป็นพลตรี^{[ 54 ]}เนื่องจากเชื่อว่าตำแหน่ง "นายพล" จะมีอิทธิพลมากกว่ากับนักวิทยาศาสตร์ในสถาบันการศึกษาที่ทำงานในโครงการนี้^{[ 55 ]}คำสั่งของโกรฟส์ทำให้เขาอยู่ภายใต้ซอมเมอร์เวลล์โดยตรง แทนที่จะเป็นเรย์โบลด์ โดยพันเอกมาร์แชลล์ต้องรับผิดชอบต่อโกรฟส์^{[ 56 ]}โกรฟส์ตั้งสำนักงานใหญ่ของเขาในวอชิงตัน ดี.ซี. ในอาคารกระทรวงสงครามแห่งใหม่ซึ่งพันเอกมาร์แชลล์มีสำนักงานประสานงานอยู่^{[ 57 ]}เขาเข้ารับตำแหน่งผู้บัญชาการโครงการแมนฮัตตันในวันที่ 23 กันยายน พ.ศ. 2485 ต่อมาในวันนั้น เขาได้เข้าร่วมการประชุมที่สติมสันเรียก ซึ่งได้จัดตั้งคณะกรรมการนโยบายทางทหาร ซึ่งรับผิดชอบต่อกลุ่มนโยบายระดับสูง ประกอบด้วยบุช (โดยมีคอนันต์เป็นตัวสำรอง) สไตเออร์ และพลเรือตรีวิลเลียม อาร์ . เพอร์เนลล์ ^{[ 54 ]}ต่อมาโทลแมนและคอนันต์ได้รับการแต่งตั้งเป็นที่ปรึกษาทางวิทยาศาสตร์ของโกรฟส์^{[ 58 ]}

เมื่อวันที่ 19 กันยายน โกรฟส์ได้ไปพบโดนัลด์ เนลสันประธานคณะกรรมการการผลิตสงคราม และขออำนาจอย่างกว้างขวางในการออกเรตติ้ง AAA เมื่อใดก็ตามที่จำเป็น เนลสันลังเลในตอนแรก แต่ก็ยอมอ่อนข้ออย่างรวดเร็วเมื่อโกรฟส์ขู่ว่าจะไปพบประธานาธิบดี^{[ 59 ]}โกรฟส์สัญญาว่าจะไม่ใช้เรตติ้ง AAA เว้นแต่จำเป็นจริงๆ ในไม่ช้าก็ปรากฏว่าสำหรับความต้องการตามปกติของโครงการ เรตติ้ง AAA นั้นสูงเกินไป แต่เรตติ้ง AA-3 นั้นต่ำเกินไป หลังจากรณรงค์มาอย่างยาวนาน ในที่สุดโกรฟส์ก็ได้รับอำนาจ AA-1 เมื่อวันที่ 1 กรกฎาคม พ.ศ. 2487 ^{[ 60 ]}ตามคำกล่าวของโกรฟส์ “ในวอชิงตัน คุณจะตระหนักถึงความสำคัญของลำดับความสำคัญสูงสุด เกือบทุกอย่างที่เสนอในรัฐบาลรูสเวลต์จะมีลำดับความสำคัญสูงสุด ซึ่งจะคงอยู่ประมาณหนึ่งหรือสองสัปดาห์ แล้วสิ่งอื่นก็จะได้รับลำดับความสำคัญสูงสุดแทน” ^{[ 61 ]}

หนึ่งในปัญหาแรกๆ ของโกรฟส์คือการหาผู้อำนวยการโครงการ Yซึ่งเป็นกลุ่มที่จะออกแบบและสร้างระเบิด ตัวเลือกที่ชัดเจนคือหนึ่งในสามหัวหน้าห้องปฏิบัติการ ได้แก่ ยูเรย์ ลอว์เรนซ์ หรืออาร์เธอร์ คอมป์ตัน แต่พวกเขาไม่สามารถว่างได้ คอมป์ตันแนะนำออปเพนไฮเมอร์ ซึ่งคุ้นเคยกับแนวคิดการออกแบบระเบิดเป็นอย่างดีอยู่แล้ว อย่างไรก็ตาม ออปเพนไฮเมอร์มีประสบการณ์ด้านการบริหารน้อย และแตกต่างจากยูเรย์ ลอว์เรนซ์ และคอมป์ตัน เขาไม่ได้รับรางวัลโนเบล ซึ่งนักวิทยาศาสตร์หลายคนรู้สึกว่าหัวหน้าห้องปฏิบัติการที่สำคัญเช่นนี้ควรได้รับ นอกจากนี้ยังมีความกังวลเกี่ยวกับสถานะความปลอดภัยของออปเพนไฮเมอร์ เนื่องจากผู้ร่วมงานหลายคนของเขาเป็นคอมมิวนิสต์รวมถึงภรรยาของเขาคิตตี้แฟนสาวของเขาจีน แทตล็อกและน้องชายของเขาแฟรงค์การสนทนาที่ยาวนานในเดือนตุลาคมปี 1942 ทำให้โกรฟส์และนิโคลส์เชื่อว่าออปเพนไฮเมอร์เข้าใจประเด็นต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการจัดตั้งห้องปฏิบัติการในพื้นที่ห่างไกลอย่างถ่องแท้ และควรได้รับการแต่งตั้งเป็นผู้อำนวยการ Groves ได้ยกเว้นข้อกำหนดด้านความปลอดภัยเป็นการส่วนตัวและออกใบอนุญาตให้ Oppenheimer เมื่อวันที่ 20 กรกฎาคม พ.ศ. 2486 ^{[ 62 ] [ 63 ]}

ชาวอังกฤษและชาวอเมริกันแลกเปลี่ยนข้อมูลนิวเคลียร์กัน แต่ในตอนแรกไม่ได้รวมความพยายามเข้าด้วยกัน ในปี 1940–41 โครงการของอังกฤษ ( Tube Alloys ) มีขนาดใหญ่กว่าและก้าวหน้ากว่า^{[ 19 ]}ผู้นำอังกฤษคัดค้านข้อเสนอของบุชและคอนันต์ในเดือนสิงหาคม 1941 ที่จะรวมความพยายามด้านอะตอมของทั้งสองประเทศเข้าด้วยกัน^{[ 64 ]}แต่ชาวอังกฤษซึ่งมีความก้าวหน้าอย่างมากในการวิจัยในช่วงต้นสงคราม ไม่มีทรัพยากรเพียงพอที่จะพัฒนาต่อไปในขณะที่ต้องทุ่มเทส่วนใหญ่ของเศรษฐกิจให้กับสงคราม Tube Alloys จึงล้าหลังคู่แข่งชาวอเมริกันในไม่ช้า^{[ 65 ]}บทบาทของทั้งสองประเทศกลับกัน^{[ 66 ]}และในเดือนมกราคม 1943 คอนันต์แจ้งให้ชาวอังกฤษทราบว่าพวกเขาจะไม่ได้รับข้อมูลอะตอมอีกต่อไป ยกเว้นในบางพื้นที่^{[ 67 ] [ 68 ]}ชาวอังกฤษได้ตรวจสอบความเป็นไปได้ของโครงการนิวเคลียร์อิสระ แต่พบว่าไม่สามารถทำให้เสร็จทันเวลาเพื่อส่งผลกระทบต่อสงครามในยุโรปได้^{[ 69 ]}

ภายในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2486 คอนันต์ตัดสินใจว่าเจมส์ แชดวิกและนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษอีกหนึ่งหรือสองคนมีความสำคัญมากพอที่ทีมออกแบบระเบิดที่ลอสอะลามอสต้องการพวกเขา แม้ว่าจะมีความเสี่ยงที่จะเปิดเผยความลับการออกแบบอาวุธก็ตาม^{[ 70 ]}ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2486 เชอร์ชิลล์และรูสเวลต์ได้เจรจาข้อตกลงควิเบก [ ^{71 ] [ 72 ] ซึ่ง}จัดตั้งคณะกรรมการนโยบายร่วมเพื่อประสานความพยายามของสหรัฐอเมริกาและสหราชอาณาจักร แคนาดาไม่ได้เป็นผู้ลงนาม แต่ข้อตกลงดังกล่าวได้กำหนดให้มีตัวแทนของแคนาดาในคณะกรรมการนโยบายร่วมเนื่องจากแคนาดามีส่วนร่วมในความพยายามนี้^{[ 73 ]}ข้อตกลงระหว่างรูสเวลต์และเชอร์ชิลล์ที่รู้จักกันในชื่อHyde Park Aide-Mémoireซึ่งลงนามในปลายเดือนกันยายน พ.ศ. 2487 ได้ขยายข้อตกลงควิเบกไปยังช่วงหลังสงครามและแนะนำว่า "เมื่อ 'ระเบิด' พร้อมใช้งานในที่สุด อาจจะใช้โจมตีญี่ปุ่นหลังจากพิจารณาอย่างรอบคอบแล้ว โดยควรเตือนญี่ปุ่นว่าการระดมยิงนี้จะทำซ้ำจนกว่าพวกเขาจะยอมจำนน" ^{[ 74 ] [ 75 ]}

เมื่อความร่วมมือกลับมาดำเนินต่อหลังจากข้อตกลงควิเบก ความก้าวหน้าและการใช้จ่ายของชาวอเมริกันทำให้ชาวอังกฤษประหลาดใจ แชดวิกผลักดันให้อังกฤษมีส่วนร่วมในโครงการแมนฮัตตันอย่างเต็มที่และละทิ้งความหวังที่จะมีโครงการของอังกฤษที่เป็นอิสระในช่วงสงคราม^{[ 69 ]}ด้วยการสนับสนุนของเชอร์ชิลล์ เขาพยายามทำให้แน่ใจว่าทุกคำขอความช่วยเหลือจากโกรฟส์ได้รับการตอบสนอง^{[ 76 ]}คณะผู้แทนอังกฤษที่เดินทางมาถึงสหรัฐอเมริกาในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2486 ประกอบด้วยนีลส์ โบห์ร, ออตโต ฟริช, เคลาส์ ฟุคส์ , รูดอล์ฟ ไพเออร์ลส์ และเออร์เนสต์ ทิตเตอร์ตัน [ ^{77 ] นัก}วิทยาศาสตร์อีกหลายคนเดินทางมาถึงในช่วงต้นปี พ.ศ. 2487 ในขณะที่ผู้ที่ได้รับมอบหมายให้ศึกษาการแพร่กระจายของก๊าซได้เดินทางกลับไปในช่วงฤดูใบไม้ร่วงของปี พ.ศ. 2487 นักวิทยาศาสตร์ 35 คนที่ทำงานภายใต้โอลิแฟนท์กับลอว์เรนซ์ที่เบิร์กลีย์ได้รับมอบหมายให้เข้าร่วมกลุ่มห้องปฏิบัติการที่มีอยู่ และส่วนใหญ่อยู่จนกระทั่งสิ้นสุดสงคราม บุคลากรทั้งสิบเก้าคนที่ถูกส่งไปยังลอสอะลามอสได้เข้าร่วมกลุ่มที่มีอยู่แล้ว ซึ่งส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการระเบิดและการประกอบระเบิด แต่ไม่ใช่กลุ่มที่เกี่ยวข้องกับพลูโตเนียม^{[ 69 ]}ข้อตกลงควิเบกได้ระบุว่าอาวุธนิวเคลียร์จะไม่ถูกนำมาใช้โจมตีประเทศอื่นโดยปราศจากความยินยอมร่วมกันของสหรัฐฯ และสหราชอาณาจักร ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2488 วิลสันตกลงว่าการทิ้งระเบิดนิวเคลียร์ใส่ญี่ปุ่นจะถูกบันทึกไว้เป็นการตัดสินใจของคณะกรรมการนโยบายร่วม^{[ 78 ]}

คณะกรรมการนโยบายร่วมได้จัดตั้งกองทุนพัฒนาร่วมขึ้นในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2487 โดยมีโกรฟส์เป็นประธาน เพื่อจัดหาแร่ยูเรเนียมและทอเรียมในตลาดระหว่างประเทศคองโกเบลเยียมและแคนาดาถือครองยูเรเนียมส่วนใหญ่ของโลกนอกยุโรปตะวันออก และรัฐบาลเบลเยียมพลัดถิ่นอยู่ในลอนดอน สหราชอาณาจักรตกลงที่จะมอบแร่เบลเยียมส่วนใหญ่ให้กับสหรัฐอเมริกา เนื่องจากไม่สามารถใช้แร่ส่วนใหญ่ได้หากปราศจากการวิจัยของอเมริกาที่จำกัด^{[ 79 ]}ในปี พ.ศ. 2487 กองทุนได้ซื้อ แร่ยูเรเนียมออกไซด์จำนวน 3,440,000 ปอนด์ (1,560,000 กิโลกรัม)จากบริษัทที่ดำเนินการเหมืองในคองโกเบลเยียม เพื่อหลีกเลี่ยงการแจ้งให้รัฐมนตรีว่าการกระทรวงการคลังของสหรัฐฯเฮนรี มอร์เกนทาว จูเนียร์ ทราบ จึง มีการใช้บัญชีพิเศษที่ไม่ต้องอยู่ภายใต้การตรวจสอบและการควบคุมตามปกติเพื่อเก็บเงินของกองทุน ระหว่างปี พ.ศ. 2487 จนถึงการลาออกจากตำแหน่งในกองทุนในปี พ.ศ. 2490 โกรฟส์ได้ฝากเงินรวมทั้งสิ้น 37.5 ล้านดอลลาร์สหรัฐ^{[ 80 ]}  

ต่อมาโกรฟส์กล่าวว่าการมีส่วนร่วมโดยตรงของนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษในโครงการแมนฮัตตันนั้น "มีประโยชน์แต่ไม่สำคัญ" แต่ "อาจจะไม่มีระเบิดปรมาณูให้ทิ้งลงที่ฮิโรชิมา" หากปราศจากแรงผลักดันของอังกฤษ (โดยเฉพาะเชอร์ชิลล์) ^{[ 81 ]}การมีส่วนร่วมของอังกฤษในช่วงสงครามมีความสำคัญต่อความสำเร็จของโครงการอาวุธนิวเคลียร์อิสระ ของพวกเขา เมื่อพระราชบัญญัติแม็กมาฮอนปี 1946 ยุติความร่วมมือด้านนิวเคลียร์ของอเมริกาเป็นการชั่วคราว^{[ 69 ]}

วันหลังจากที่เขารับช่วงต่อโครงการ โกรฟส์เดินทางไปเทนเนสซีพร้อมกับพันเอกมาร์แชลล์เพื่อตรวจสอบสถานที่ที่เสนอไว้ที่นั่น และโกรฟส์ก็ประทับใจ^{[ 83 ] [ 84 ]}เมื่อวันที่ 29 กันยายน พ.ศ. 2485 โรเบิร์ต พี. แพตเตอร์สัน รัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงสงครามของสหรัฐอเมริกา ได้อนุญาตให้กองวิศวกรเข้าซื้อที่ดิน56,000 เอเคอร์ (23,000 เฮกตาร์) โดยใช้ อำนาจเวนคืน ที่ดิน ในราคา 3.5 ล้านดอลลาร์ ต่อมาได้มีการซื้อที่ดินเพิ่มอีก3,000 เอเคอร์ (1,200 เฮกตาร์)ครอบครัวประมาณ 1,000 ครอบครัวได้รับผลกระทบจากคำสั่งนี้ ซึ่งมีผลบังคับใช้ในวันที่ 7 ตุลาคม^{[ 85 ]}การประท้วง การอุทธรณ์ทางกฎหมาย และการสอบสวนของรัฐสภาในปี พ.ศ. 2486 ก็ไม่ได้ผล^{[ 86 ]}ในช่วงกลางเดือนพฤศจิกายนเจ้าหน้าที่ US Marshalsได้ติดประกาศให้ย้ายออกที่ประตูบ้านไร่ และผู้รับเหมาก่อสร้างก็เริ่มเข้ามา^{[ 87 ]}บางครอบครัวได้รับแจ้งล่วงหน้าสองสัปดาห์ให้ย้ายออกจากฟาร์มที่เป็นบ้านของพวกเขามาหลายชั่วอายุคน^{[ 88 ]}ค่าใช้จ่ายสุดท้ายของการซื้อที่ดิน ซึ่งไม่เสร็จสมบูรณ์จนกระทั่งเดือนมีนาคม พ.ศ. 2488 มีมูลค่าเพียงประมาณ 2.6 ล้านดอลลาร์สหรัฐ หรือประมาณ 47 ดอลลาร์สหรัฐต่อเอเคอร์^{[ 89 ]}เมื่อได้รับประกาศที่ระบุว่า Oak Ridge เป็นพื้นที่ห้ามเข้าโดยเด็ดขาด ซึ่งไม่มีใครสามารถเข้าไปได้โดยไม่ได้รับอนุญาตจากกองทัพผู้ว่าการรัฐเทนเนสซี Prentice Cooper ก็ฉีกประกาศ นั้นทิ้งด้วยความโกรธ^{[ 90 ]}    

เดิมทีสถานที่แห่งนี้รู้จักกันในชื่อ Kingston Demolition Range แต่ต่อมาได้เปลี่ยนชื่ออย่างเป็นทางการเป็นClinton Engineer Works (CEW) ในช่วงต้นปี 1943 ^{[ 91 ]}ในขณะที่ Stone & Webster มุ่งเน้นไปที่โรงงานผลิต บริษัทสถาปัตยกรรมและวิศวกรรมSkidmore, Owings & Merrillได้พัฒนาชุมชนที่อยู่อาศัยสำหรับ 13,000 คน ชุมชนตั้งอยู่บนเนินเขา Black Oak Ridge ซึ่งเป็นที่มาของชื่อ เมือง Oak Ridge แห่งใหม่ ^{[ 92 ]}การปรากฏตัวของกองทัพที่ Oak Ridge เพิ่มขึ้นในเดือนสิงหาคม 1943 เมื่อ Nichols เข้ามาแทนที่ Marshall ในตำแหน่งหัวหน้าเขตวิศวกรแมนฮัตตัน หนึ่งในภารกิจแรกของเขาคือการย้ายสำนักงานใหญ่ของเขตไปยัง Oak Ridge แม้ว่าชื่อของเขตจะไม่ได้เปลี่ยนแปลงก็ตาม^{[ 93 ]}ในเดือนกันยายน 1943 การบริหารจัดการสิ่งอำนวยความสะดวกของชุมชนได้ถูกว่าจ้างให้บริษัท Turner Construction Company ดำเนินการ ผ่านบริษัทในเครือ Roane-Anderson Company ^{[ 94 ]}วิศวกรเคมีเป็นส่วนหนึ่งของ "ความพยายามอย่างเร่งรีบ" ในการผลิตยูเรเนียม 235 ที่มีความเข้มข้น 10% ถึง 12% โดยมีการรักษาความปลอดภัยอย่างเข้มงวดและการอนุมัติอย่างรวดเร็วสำหรับวัสดุและอุปกรณ์^{[ 95 ]}ประชากรของโอ๊คริดจ์ขยายตัวอย่างรวดเร็วเกินกว่าแผนเริ่มต้น และมีจำนวนสูงสุดที่ 75,000 คนในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2488 ซึ่งในขณะนั้นมีคนงาน 82,000 คนทำงานที่โรงงานวิศวกรรมคลินตัน^{[ 82 ]}และ 10,000 คนทำงานที่โรน-แอนเดอร์สัน^{[ 94 ]}

แนวคิดที่จะตั้งโครงการ Y ที่โอ๊คริดจ์ได้รับการพิจารณาแล้ว แต่ได้ตัดสินใจว่าควรอยู่ในสถานที่ห่างไกล ตามคำแนะนำของออปเพนไฮเมอร์ การค้นหาสถานที่ที่เหมาะสมจึงถูกจำกัดให้แคบลงไปที่บริเวณใกล้เคียงเมืองอัลบูเคอร์คี รัฐนิวเม็กซิโกซึ่งออปเพนไฮเมอร์เป็นเจ้าของฟาร์มปศุสัตว์^{[ 96 ]}เมื่อวันที่ 16 พฤศจิกายน พ.ศ. 2485 ออปเพนไฮเมอร์ โกรฟส์ ดัดลีย์ และคนอื่นๆ ได้ไปสำรวจบริเวณใกล้เคียงโรงเรียน Los Alamos Ranch Schoolออปเพนไฮเมอร์แสดงความชอบอย่างมากต่อสถานที่แห่งนี้ โดยอ้างถึงความงามตามธรรมชาติ ซึ่งหวังว่าจะสร้างแรงบันดาลใจให้แก่ผู้ที่ทำงานในโครงการ^{[ 97 ] [ 98 ]}วิศวกรกังวลเกี่ยวกับถนนทางเข้าที่ไม่ดี และว่าแหล่งน้ำจะเพียงพอหรือไม่ แต่โดยรวมแล้วรู้สึกว่ามันเป็นสถานที่ที่เหมาะสม^{[ 99 ]}

แพตเตอร์สันอนุมัติการซื้อที่ดินเมื่อวันที่ 25 พฤศจิกายน พ.ศ. 2485 โดยอนุมัติเงิน 440,000 ดอลลาร์สำหรับการซื้อที่ดินที่คำนวณไว้ล่วงหน้าจำนวน 54,000 เอเคอร์ (22,000 เฮกตาร์)ซึ่งเกือบทั้งหมด(ยกเว้น 8,900 เอเคอร์ หรือ 3,600 เฮกตาร์) เป็นที่ดินที่รัฐบาลกลางเป็นเจ้าของอยู่แล้ว ^{[ 100 ]}รัฐมนตรีว่าการกระทรวงเกษตรคลอดด์ อาร์. วิคการ์ด ได้มอบที่ดิน ของกรมป่าไม้สหรัฐฯประมาณ45,000 เอเคอร์ (18,000 เฮกตาร์) ให้ แก่กระทรวงสงคราม "ตราบเท่าที่ความจำเป็นทางทหารยังคงอยู่" ^{[ 101 ]}การซื้อที่ดินในช่วงสงครามในที่สุดมีจำนวน49,383 เอเคอร์ (19,985 เฮกตาร์)แต่ใช้เงินไปเพียง 414,971 ดอลลาร์เท่านั้น^{[ 102 ]}งานเริ่มขึ้นในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2485 Groves จัดสรรเงิน 300,000 ดอลลาร์สำหรับการก่อสร้างในเบื้องต้น ซึ่งมากกว่าที่ Oppenheimer ประเมินไว้ถึงสามเท่า แต่เมื่อ Sundt ^{[ d ]} เสร็จสิ้นในวันที่ 30 พฤศจิกายน พ.ศ. 2486 มีการใช้เงินไปมากกว่า 7 ล้านดอลลาร์^{[ 105 ]}     

ในช่วงสงคราม ลอสอะลามอสถูกเรียกว่า "ไซต์ Y" หรือ "เนินเขา" ^{[ 106 ]}เดิมทีตั้งใจให้เป็นห้องปฏิบัติการทางทหาร โดยมีออปเพนไฮเมอร์และนักวิจัยคนอื่นๆ ได้รับมอบหมายให้ทำงานในกองทัพ แต่โรเบิร์ต บาเชอร์และอิซิดอร์ ราบีไม่เห็นด้วยกับความคิดนี้ และโน้มน้าวออปเพนไฮเมอร์ว่านักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ จะคัดค้าน คอนันต์ โกรฟส์ และออปเพนไฮเมอร์จึงคิดหาทางประนีประนอม โดยให้มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเป็นผู้ดูแลห้องปฏิบัติการภายใต้สัญญาจ้างกับกระทรวงสงคราม^{[ 107 ]}โดโรธี แมคคิบบินเป็นผู้ดูแลสำนักงานสาขาในซานตาเฟ ซึ่งเธอคอยต้อนรับผู้มาใหม่และออกบัตรผ่านให้^{[ 108 ]}

เมื่อวันที่ 25 มิถุนายน พ.ศ. 2485 สภา Army-OSRD ได้ตัดสินใจสร้างโรงงานนำร่องสำหรับการผลิตพลูโทเนียมในเขตอนุรักษ์ป่าอาร์กอนทางตะวันตกเฉียงใต้ของชิคาโก โดยกำหนดให้เป็นSite Aในเดือนกรกฎาคม นิโคลส์ได้จัดการเช่าที่ดิน1,025 เอเคอร์ (415 เฮกตาร์)จากเขตอนุรักษ์ป่า Cook Countyและแต่งตั้งกัปตันเจมส์ เอฟ. กราฟตันเป็นวิศวกรประจำพื้นที่ชิคาโก ในไม่ช้าก็ปรากฏชัดว่าขนาดของการดำเนินงานนั้นใหญ่เกินกว่าพื้นที่ดังกล่าว จึงตัดสินใจสร้างโรงงานนำร่องที่โอ๊คริดจ์และคงสถานที่วิจัยและทดสอบไว้ในชิคาโก^{[ 109 ] [ 110 ]} 

ความล่าช้าในการจัดตั้งโรงงานที่ไซต์ A ทำให้Arthur Comptonอนุญาตให้ห้องปฏิบัติการโลหะวิทยาสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกใต้ที่นั่งชมกีฬาของStagg Field ที่มหาวิทยาลัยชิคาโก เครื่องปฏิกรณ์ต้องการบล็อกก ราไฟต์บริสุทธิ์จำนวนมหาศาลและยูเรเนียมทั้งในรูปโลหะและออกไซด์ผง ในขณะนั้น แหล่งยูเรเนียมบริสุทธิ์มีจำกัดFrank Spedding จากมหาวิทยาลัยรัฐไอโอวาสามารถผลิตได้เพียง 2 ตัน เท่านั้น โรงงานผลิตหลอดไฟ Westinghouseจัดหายูเรเนียม 3 ตัน โดยผลิตอย่างเร่งรีบด้วยกระบวนการชั่วคราว บริษัท Goodyear Tireสร้างบอลลูนสี่เหลี่ยมขนาดใหญ่เพื่อห่อหุ้มเครื่องปฏิกรณ์^{[ 111 ] [ 112 ]}

เมื่อวันที่ 2 ธันวาคม พ.ศ. 2485 ทีมที่นำโดย Enrico Fermi ได้เริ่มต้นปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์เทียมที่ยั่งยืนด้วยตนเองครั้งแรก^{ในเครื่อง}ปฏิกรณ์ทดลองที่รู้จักกันในชื่อ^Chicago Pile-1 [ ^{114 ] จุด}ที่ปฏิกิริยากลายเป็นยั่งยืนด้วยตนเองเรียกว่า "การเข้าสู่ภาวะวิกฤต" คอมป์ตันรายงานความสำเร็จไปยังโคนันต์ในวอชิงตัน ดี.ซี. โดยการโทรศัพท์แบบเข้ารหัส โดยกล่าวว่า "นักเดินเรือชาวอิตาลี [เฟอร์มิ] เพิ่งลงจอดในโลกใหม่" ^{[ 115 ] [ f ]}

ในเดือนมกราคม พ.ศ. 2486 ผู้สืบทอดตำแหน่งของกราฟตัน คือ พันตรีอาเธอร์ วี. ปีเตอร์สันได้สั่งให้รื้อถอนและประกอบเครื่องปฏิกรณ์ชิคาโกไพล์-1 ขึ้นใหม่ที่ไซต์ A ในเขตอนุรักษ์ป่า เนื่องจากเขามองว่าการดำเนินงานของเครื่องปฏิกรณ์นั้นอันตรายเกินไปสำหรับพื้นที่ที่มีประชากรหนาแน่น^{[ 116 ]}ไซต์ A ยังคงดำเนินการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ต่อไปในฐานะส่วนขยายลับของห้องปฏิบัติการโลหะวิทยาที่มหาวิทยาลัย เครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักเครื่องแรกอย่างชิคาโกไพล์-3 ก็เริ่มทำงานได้ที่ไซต์นี้ในวันที่ 15 พฤษภาคม พ.ศ. 2487 ^{[ 117 ] [ 118 ]}หลังสงคราม การดำเนินงานที่ไซต์ A ถูกย้ายไปประมาณ6 ไมล์ (9.7 กม.)ไปยังเคาน์ตีดูเพจซึ่งเป็นที่ตั้งปัจจุบันของห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอน^{[ 110 ]} 

ภายในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2485 มีความกังวลว่าแม้แต่โอ๊คริดจ์ก็อยู่ใกล้กับศูนย์กลางประชากรขนาดใหญ่ (น็อกซ์วิลล์) มากเกินไป ในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุนิวเคลียร์ครั้งใหญ่ซึ่งไม่น่าจะเกิดขึ้นได้ โกรฟส์จึงว่าจ้างดูปองท์ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2485 ให้เป็นผู้รับเหมาหลักในการก่อสร้างโรงงานผลิตพลูโตเนียม ประธานบริษัทวอลเตอร์ เอส. คาร์เพนเตอร์ จูเนียร์ไม่ต้องการกำไรใดๆ ทั้งสิ้น ด้วยเหตุผลทางกฎหมาย จึงตกลงกันที่ค่าธรรมเนียมเพียงเล็กน้อยหนึ่งดอลลาร์^{[ 119 ]}

DuPont แนะนำว่าควรตั้งไซต์ให้ห่างจากโรงงานผลิตยูเรเนียมที่มีอยู่เดิมที่ Oak Ridge ^{[ 120 ]}ในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2485 Groves ได้ส่งพันเอกFranklin Matthiasและวิศวกรของ DuPont ไปสำรวจไซต์ที่มีศักยภาพ Matthias รายงานว่าไซต์ Hanfordใกล้Richland รัฐวอชิงตันนั้น "เหมาะสมในทุกด้าน" อย่างแท้จริง มันอยู่โดดเดี่ยวและอยู่ใกล้แม่น้ำโคลัมเบียซึ่งสามารถจัดหาน้ำได้เพียงพอสำหรับระบายความร้อนให้กับเครื่องปฏิกรณ์ Groves ไปเยี่ยมชมไซต์ในเดือนมกราคมและจัดตั้ง Hanford Engineer Works (HEW) ซึ่งมีรหัสว่า "ไซต์ W" ^{[ 121 ]}

ปลัดกระทรวงแพตเตอร์สันอนุมัติเมื่อวันที่ 9 กุมภาพันธ์ จัดสรรเงิน 5  ล้านดอลลาร์สำหรับการซื้อที่ดิน 430,000 เอเคอร์ (170,000 เฮกตาร์)รัฐบาลกลางได้ย้ายผู้อยู่อาศัยในชุมชนใกล้เคียงประมาณ 1,500 คน รวมถึงชาววานาปุมและชนเผ่าอื่นๆ ที่ใช้พื้นที่ดังกล่าว เกิดข้อพิพาทกับเกษตรกรเกี่ยวกับการชดเชยพืชผลที่ปลูกไปแล้ว ในกรณีที่กำหนดการเอื้ออำนวย กองทัพอนุญาตให้เก็บเกี่ยวพืชผลได้ แต่ก็ไม่สามารถทำได้เสมอไป^{[ 121 ]}กระบวนการซื้อที่ดินยืดเยื้อและไม่เสร็จสมบูรณ์ก่อนสิ้นสุดโครงการแมนฮัตตันในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2489 ^{[ 122 ]} 

ข้อพิพาทไม่ได้ทำให้งานล่าช้า แม้ว่าความคืบหน้าในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่ห้องปฏิบัติการโลหะวิทยาและดูปองต์จะยังไม่ก้าวหน้าเพียงพอที่จะคาดการณ์ขอบเขตของโครงการได้อย่างแม่นยำ แต่ก็เริ่มดำเนินการในเดือนเมษายน พ.ศ. 2486 สำหรับสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับคนงานประมาณ 25,000 คน โดยคาดว่าครึ่งหนึ่งจะอาศัยอยู่ในสถานที่ก่อสร้าง ภายในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2487 มีการสร้างอาคารประมาณ 1,200 หลัง และมีคนอาศัยอยู่ในค่ายก่อสร้างเกือบ 51,000 คน ในฐานะวิศวกรประจำพื้นที่ แมทเธียสมีอำนาจควบคุมโดยรวมของสถานที่ก่อสร้าง^{[ 123 ]}ในช่วงที่มีประชากรมากที่สุด ค่ายก่อสร้างแห่งนี้เป็นเมืองที่มีประชากรมากเป็นอันดับสามในรัฐวอชิงตัน^{[ 124 ]}แฮนฟอร์ดดำเนินการเดินรถโดยสารกว่า 900 คัน มากกว่าเมืองชิคาโก^{[ 125 ]}เช่นเดียวกับลอสอะลามอสและโอ๊คริดจ์ ริชแลนด์เป็นชุมชนที่มีรั้วรอบขอบชิดและจำกัดการเข้าถึง แต่ดูเหมือนเมืองบูมของอเมริกาในช่วงสงครามทั่วไปมากกว่า: ภาพลักษณ์ทางทหารต่ำกว่า และองค์ประกอบด้านความปลอดภัยทางกายภาพ เช่น รั้วสูงและสุนัขเฝ้ายามนั้นไม่ชัดเจนนัก^{[ 126 ]}

แคนาดาให้การสนับสนุนด้านการวิจัย การสกัด และการผลิตยูเรเนียมและพลูโตเนียม และนักวิทยาศาสตร์ชาวแคนาดาได้ทำงานที่ลอสอะลามอส^{[ 127 ] [ 128 ]}

แม้ว่าแบบแผนการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ดูปองท์ชื่นชอบจะเป็นแบบระบายความร้อนด้วยฮีเลียมและใช้กราไฟต์เป็นตัวหน่วงนิวตรอน แต่ดูปองท์ก็ยังแสดงความสนใจที่จะใช้น้ำหนักเบา (heavy water) เป็นระบบสำรองโครงการ P-9เป็นชื่อรหัสของรัฐบาลสำหรับโครงการผลิตน้ำหนักเบา มีการประเมินว่า จำเป็นต้องใช้น้ำหนักเบา 3 ตัน (2.7 ตัน)ต่อเดือน โรงงานที่เทรล ซึ่งอยู่ระหว่างการก่อสร้างในขณะนั้น สามารถผลิตได้0.5 ตัน (0.45 ตัน)ต่อเดือน ดังนั้นโกรฟส์จึงอนุญาตให้ดูปองท์จัดตั้งโรงงานผลิตน้ำหนักเบาที่โรงงานผลิตอาวุธมอร์แกนทาวน์ ใกล้เมืองมอร์แกนทาวน์ รัฐเวสต์เวอร์จิเนียที่โรงงานผลิตอาวุธวาบาชริเวอร์ใกล้เมืองดานาและนิวพอร์ต รัฐอินเดียนาและที่โรงงานผลิตอาวุธอะลาบามาใกล้เมืองไชลด์สเบิร์กและซิลากา รัฐอะลาบามาแม้ว่าจะรู้จักกันในชื่อโรงงานผลิตอาวุธและได้รับเงินสนับสนุนภายใต้ สัญญา ของกรมสรรพาวุธแต่โรงงานเหล่านี้ถูกสร้างและดำเนินการโดยกองทัพบกสหรัฐฯ โรงงานของอเมริกาใช้กระบวนการที่แตกต่างจากโรงงานที่เทรล น้ำหนักมากถูกสกัดโดยการกลั่น โดยใช้ประโยชน์จากจุดเดือดที่สูงกว่าเล็กน้อยของน้ำหนักมาก^{[ 132 ] [ 133 ]}  

วัตถุดิบหลักของโครงการคือยูเรเนียม ซึ่งใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ เป็นวัตถุดิบที่ถูกแปรรูปเป็นพลูโทเนียม และในรูปแบบที่เสริมสมรรถนะแล้ว ก็ใช้ในระเบิดปรมาณูเองด้วย ในปี 1940 มีแหล่งยูเรเนียมที่สำคัญที่รู้จักกัน 4 แห่ง ได้แก่ ในโคโลราโด ในแคนาดาตอนเหนือ ในโจอาคิมสทาลในเชโกสโลวาเกีย และในคองโกเบลเยียม^{[ 134 ]} แหล่ง ยูเรเนียมทั้งหมด ยกเว้นโจอาคิมสทาล อยู่ในมือของฝ่ายสัมพันธมิตร การสำรวจในปี 1942 ระบุว่ามีปริมาณยูเรเนียมเพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการของโครงการ^{[ 135 ] [ g ]}นิโคลส์ได้จัดเตรียมกับกระทรวงการต่างประเทศเพื่อควบคุมการส่งออกยูเรเนียมออกไซด์และเจรจาเพื่อซื้อ แร่ยูเรเนียม 1,200 ตัน (1,100 ตัน)จากคองโกเบลเยียม ซึ่งถูกเก็บไว้ในคลังสินค้าบนเกาะสเตเทนและสต็อกแร่ที่ขุดได้ที่เหลือเก็บไว้ในคองโก เขาเจรจากับบริษัท Eldorado Gold Minesเพื่อซื้อแร่จากโรงกลั่นในเมืองพอร์ตโฮป รัฐออนแทรีโอ รัฐบาลแคนาดาได้เข้าซื้อหุ้นของบริษัทจนกระทั่งได้ถือหุ้นส่วนใหญ่^{[ 137 ]} 

ในบรรดาแร่เหล่านี้ แร่จากคองโกของเบลเยียมมีปริมาณยูเรเนียมต่อมวลหินมากที่สุด^{[ 138 ] [ h ]}นอกเหนือจากความต้องการในช่วงสงครามแล้ว ผู้นำอเมริกันและอังกฤษสรุปว่าการควบคุมแหล่งแร่ยูเรเนียมของโลกให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้นั้นเป็นผลประโยชน์ของประเทศตน เหมือง ชินโคโลบเวถูกน้ำท่วมและปิดตัวลง และนิโคลส์พยายามเจรจาเพื่อเปิดเหมืองอีกครั้งและขายผลผลิตในอนาคตทั้งหมดให้กับสหรัฐอเมริกากับเอ็ดการ์ เซนเจียร์ผู้อำนวยการของบริษัทที่เป็นเจ้าของเหมืองยูเนียน มินิแยร์ ดู โอต์-คาตังกาแต่ ไม่ประสบความสำเร็จ ^{[ 140 ]}จากนั้นเรื่องนี้ก็ถูกหยิบยกขึ้นมาโดยคณะกรรมการนโยบายร่วม เนื่องจากหุ้นของยูเนียน มินิแยร์ 30 เปอร์เซ็นต์อยู่ภายใต้การควบคุมของผลประโยชน์ของอังกฤษ อังกฤษจึงเป็นผู้นำในการเจรจา เซอร์จอห์น แอนเดอร์สันและเอกอัครราชทูตจอห์น วินันต์ได้เจรจาตกลงกับเซงเกียร์และรัฐบาลเบลเยียมในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2487 เพื่อเปิดเหมืองอีกครั้งและซื้อแร่จำนวน1,720 ตัน (1,560 ตัน) ในราคา 1.45 ดอลลาร์ต่อปอนด์ ^{[ 141 ]}เพื่อหลีกเลี่ยงการพึ่งพาแร่จากอังกฤษและแคนาดา โกรฟส์ยังได้จัดการซื้อสต็อกของบริษัท US Vanadium Corporation ในเมือง อูราวาน รัฐโคโลราโด อีกด้วย ^{[ 142 ]} 

แร่ดิบถูกละลายในกรดไนตริกเพื่อผลิตยูรานิลไนเตรตซึ่งถูกแปรรูปเป็นยูเรเนียมไตรออกไซด์ และถูกรีดิวซ์เป็น ยูเรเนียมไดออกไซด์ที่มีความบริสุทธิ์สูง^{[ 143 ]}ภายในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2485 Mallinckrodt สามารถผลิตออกไซด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงได้ถึงหนึ่งตันต่อวัน แต่การเปลี่ยนออกไซด์นี้ให้เป็นโลหะยูเรเนียมในตอนแรกนั้นพิสูจน์แล้วว่าทำได้ยากกว่า^{[ 144 ]}การผลิตช้าเกินไปและคุณภาพต่ำจนยอมรับไม่ได้ จึงมีการจัดตั้งสาขาของห้องปฏิบัติการโลหะวิทยาขึ้นที่วิทยาลัยรัฐไอโอวาในเมืองเอมส์ รัฐไอโอวาภายใต้การนำของแฟรงค์ สเปดดิง เพื่อตรวจสอบทางเลือกอื่น โครงการนี้เป็นที่รู้จักในชื่อโครงการเอมส์และกระบวนการเอมส์ก็เริ่มใช้งานได้ในปี พ.ศ. 2486 ^{[ 145 ]}

ยูเรเนียมธรรมชาติประกอบด้วยยูเรเนียม-238 99.3% และยูเรเนียม-235 0.7% แต่เนื่องจากมีเพียงยูเรเนียม-235 เท่านั้นที่สามารถแตกตัวได้จึงจำเป็นต้องแยกออกจากไอโซโทปที่มีปริมาณมากกว่าด้วยวิธีการทางกายภาพ มีการพิจารณาวิธีการต่างๆ สำหรับการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมซึ่งส่วนใหญ่ดำเนินการที่โอ๊คริดจ์^{[ 146 ]}เทคโนโลยีที่เห็นได้ชัดที่สุดคือเครื่องเหวี่ยงแยกสาร แต่ล้มเหลว อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีการแยกด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า การแพร่กระจายของก๊าซ และการแพร่กระจายความร้อนล้วนประสบความสำเร็จและมีส่วนช่วยในโครงการนี้ ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2486 โกรฟส์ได้คิดค้นแนวคิดในการใช้ผลผลิตจากโรงงานบางแห่งเป็นวัตถุดิบสำหรับโรงงานอื่นๆ^{[ 147 ]}

การแยกด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

การแยกไอโซโทปด้วย สนามแม่เหล็กไฟฟ้าได้รับการพัฒนาขึ้นที่ห้องปฏิบัติการรังสีของมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย วิธีนี้ใช้เครื่องมือที่เรียกว่าคาลูตรอนชื่อนี้มาจากคำว่าแคลิฟอร์เนียมหาวิทยาลัยและไซโคลตรอน [ ^{154 ] ใน}กระบวนการแม่เหล็กไฟฟ้า สนามแม่เหล็กจะเบี่ยงเบนอนุภาคที่มีประจุตามมวล^{[ 155 ]}กระบวนการนี้ไม่สวยงามทางวิทยาศาสตร์และไม่มีประสิทธิภาพในเชิงอุตสาหกรรม^{[ 156 ]}เมื่อเปรียบเทียบกับโรงงานแพร่กระจายก๊าซหรือเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ โรงงานแยกด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะใช้ทรัพยากรที่หายากมากกว่า ต้องการกำลังคนในการดำเนินงานมากกว่า และมีต้นทุนการก่อสร้างสูงกว่า อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ได้รับการอนุมัติเนื่องจากใช้เทคโนโลยีที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว จึงมีความเสี่ยงน้อยกว่า นอกจากนี้ยังสามารถสร้างได้เป็นขั้นตอนและเข้าถึงกำลังการผลิตในระดับอุตสาหกรรมได้อย่างรวดเร็ว^{[ 154 ]}

มาร์แชลล์และนิโคลส์ค้นพบว่ากระบวนการแยกไอโซโทปด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าจะต้องใช้ทองแดง5,000 ตัน (4,500 ตัน) ซึ่งกำลังขาดแคลนอย่างมาก อย่างไรก็ตาม สามารถใช้เงินทดแทนได้ โดยมีอัตราส่วนทองแดงต่อเงินอยู่ที่ 11:10 เมื่อวันที่ 3 สิงหาคม พ.ศ. 2485 นิโคลส์ได้พบกับ ปลัดกระทรวงการคลังแดเนียล ดับเบิลยู เบลล์และขอให้โอนเงินแท่งเงิน 6,000 ตันจากคลังเก็บเงินเวสต์พอยต์ [ ^{157 ] ใน}ที่สุดก็ใช้เงินไป14,700 ตัน (13,300 ตัน; 430,000,000 ออนซ์ทรอย) ^{[ 158 ]}แท่ง เงิน ขนาด 1,000 ออนซ์ทรอย (31 กก.)ถูกหล่อเป็นแท่งทรงกระบอก อัดขึ้นรูปเป็นแถบ และพันรอบขดลวดแม่เหล็ก^{[ 158 ] [ 159 ]} 

ความรับผิดชอบในการออกแบบและก่อสร้างโรงงานแยกด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งต่อมาเรียกว่าY-12ได้ถูกมอบหมายให้แก่ Stone & Webster ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2485 การออกแบบกำหนดให้มีหน่วยประมวลผลขั้นแรก 5 หน่วย หรือที่รู้จักกันในชื่อ Alpha racetracks และหน่วยสำหรับการประมวลผลขั้นสุดท้าย 2 หน่วย หรือที่รู้จักกันในชื่อ Beta racetracks ในเดือนกันยายน พ.ศ. 2486 Groves ได้อนุมัติการก่อสร้าง racetracks เพิ่มอีก 4 หน่วย หรือที่รู้จักกันในชื่อ Alpha II การก่อสร้างเริ่มขึ้นในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2486 ^{[ 161 ]} Alpha I หน่วยที่สองเริ่มใช้งานได้ในปลายเดือนมกราคม พ.ศ. 2487 Beta หน่วยแรก และ Alpha I หน่วยแรกและหน่วยที่สาม เริ่มใช้งานได้ในเดือนมีนาคม และ Alpha I หน่วยที่สี่ เริ่มใช้งานได้ในเดือนเมษายน ส่วน Alpha II racetracks ทั้งสี่หน่วยนั้นแล้วเสร็จระหว่างเดือนกรกฎาคมถึงตุลาคม พ.ศ. 2487 ^{[ 162 ]} Tennessee Eastmanได้รับสัญญาให้บริหารจัดการ Y-12 ^{[ 163 ]}เครื่อง Calutron ถูกส่งมอบให้แก่ผู้ปฏิบัติงานของ Tennessee Eastman ที่ได้รับการฝึกอบรมมาแล้ว ซึ่งรู้จักกันในชื่อCalutron Girls ^{[ 164 ]}

ในขั้นต้น คาลูตรอนได้เพิ่มความเข้มข้นของยูเรเนียม-235 ให้มีปริมาณระหว่าง 13% ถึง 15% และส่งยูเรเนียมดังกล่าวจำนวนไม่กี่ร้อยกรัมแรกไปยังลอสอะลามอสในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2487 มีเพียง 1 ส่วนใน 5,825 ส่วนของยูเรเนียมที่ป้อนเข้าไปเท่านั้นที่กลายเป็นผลิตภัณฑ์ ส่วนที่เหลือส่วนใหญ่กระเด็นไปทั่วอุปกรณ์ในระหว่างกระบวนการ ความพยายามในการกู้คืนอย่างหนักช่วยเพิ่มการผลิตเป็น 10% ของยูเรเนียม-235 ที่ป้อนเข้าไปภายในเดือนมกราคม พ.ศ. 2488 ในเดือนกุมภาพันธ์ สนามแข่งอัลฟาเริ่มได้รับยูเรเนียมที่เพิ่มความเข้มข้นเล็กน้อย (1.4%) จากโรงงานแพร่ความร้อน S-50 แห่งใหม่ และในเดือนถัดมาก็ได้รับยูเรเนียมที่เพิ่มความเข้มข้น (5%) จากโรงงานแพร่ก๊าซ K-25 ภายในเดือนสิงหาคม โรงงาน K-25 ก็ผลิตยูเรเนียมที่เพิ่มความเข้มข้นเพียงพอที่จะป้อนเข้าสู่สนามแข่งเบตาได้โดยตรง^{[ 165 ]}

การแพร่กระจายของก๊าซ

วิธีการแยกไอโซโทปที่มีแนวโน้มดีที่สุดแต่ก็ท้าทายที่สุดเช่นกันคือการแพร่ของก๊าซกฎของเกรแฮมระบุว่าอัตราการแพร่ของก๊าซแปรผกผันกับรากที่สองของมวลโมเลกุลดังนั้นในกล่องที่มีเยื่อกึ่งซึมผ่านได้และส่วนผสมของก๊าซสองชนิด โมเลกุลที่เบากว่าจะผ่านออกจากภาชนะได้เร็วกว่าโมเลกุลที่หนักกว่า แนวคิดคือกล่องดังกล่าวสามารถจัดเรียงเป็นลำดับของปั๊มและเยื่อ โดยแต่ละขั้นถัดไปจะมีส่วนผสมของไอโซโทปที่เข้มข้นขึ้นเล็กน้อย การวิจัยเกี่ยวกับกระบวนการนี้ดำเนินการที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบียโดยกลุ่มที่รวมถึง Harold Urey, Karl P. CohenและJohn R. Dunning ^{[ 166 ]}

ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2485 คณะกรรมการนโยบายทางทหารได้อนุมัติการก่อสร้างโรงงานแพร่กระจายก๊าซ 600 ขั้นตอน^{[ 167 ]}ในวันที่ 14 ธันวาคมMW Kelloggยอมรับข้อเสนอในการก่อสร้างโรงงาน ซึ่งมีรหัสว่า K-25 มีการจัดตั้งนิติบุคคลแยกต่างหากชื่อ Kellex สำหรับโครงการนี้^{[ 168 ]}กระบวนการนี้เผชิญกับความยากลำบากทางเทคนิคอย่างมาก ต้องใช้ก๊าซยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง เนื่องจากไม่สามารถหาสารทดแทนได้ และมอเตอร์และปั๊มต้องปิดสนิทและบรรจุอยู่ในก๊าซเฉื่อย ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดคือการออกแบบแผ่นกั้น ซึ่งต้องแข็งแรง มีรูพรุน และทนต่อการกัดกร่อน Edward Adler และ Edward Norris สร้างแผ่นกั้นตาข่ายจากนิกเกิลชุบไฟฟ้า โรงงานนำร่องหกขั้นตอนถูกสร้างขึ้นที่โคลัมเบียเพื่อทดสอบกระบวนการ แต่ต้นแบบพิสูจน์แล้วว่าเปราะเกินไป แผ่นกั้นคู่แข่งได้รับการพัฒนาจากนิกเกิลผงโดย Kellex, Bell Telephone LaboratoriesและBakelite Corporation ในเดือนมกราคม พ.ศ. 2487 โกรฟส์ได้สั่งให้เริ่มการผลิตแผงกั้นเคลเล็กซ์^{[ 169 ] [ 170 ]}

การออกแบบของ Kellex สำหรับ K-25 กำหนดให้เป็นโครงสร้างรูปตัวยูสี่ชั้น ยาว 0.5 ไมล์ (0.80 กม.)ซึ่งประกอบด้วยอาคารต่อเนื่อง 54 หลัง โดยแบ่งออกเป็นเก้าส่วน แต่ละส่วนมีหกขั้นตอน คณะสำรวจเริ่มการก่อสร้างโดยการทำเครื่องหมาย พื้นที่ 500 เอเคอร์ (2.0 กม. ^² )ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2486 งานก่อสร้างอาคารหลักเริ่มขึ้นในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2486 และโรงงานนำร่องหกขั้นตอนพร้อมใช้งานในวันที่ 17 เมษายน พ.ศ. 2487 ในปี พ.ศ. 2488 Groves ได้ยกเลิกขั้นตอนบน และสั่งให้ Kellex ออกแบบและสร้างหน่วยป้อนด้านข้าง 540 ขั้นตอนแทน ซึ่งต่อมาเป็นที่รู้จักในชื่อ K-27 Kellex ส่งมอบหน่วยสุดท้ายให้กับผู้รับเหมาดำเนินการUnion Carbide and Carbon ในวันที่ 11 กันยายน พ.ศ. 2488 ต้นทุนรวมทั้งหมด รวมถึงโรงงาน K-27 ที่สร้างเสร็จหลังสงคราม มีมูลค่า 480 ล้าน ดอลลาร์ ^{[ 171 ]}   

โรงงานผลิตเริ่มดำเนินการในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2488 และเมื่อระบบต่างๆ เริ่มใช้งานทีละขั้นตอน คุณภาพของผลิตภัณฑ์ก็เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนถึงเดือนเมษายน พ.ศ. 2488 K-25 มีความเข้มข้นถึง 1.1% และเริ่มนำผลผลิตจากโรงงานแพร่กระจายความร้อน S-50 มาใช้ในการผลิต ผลิตภัณฑ์บางส่วนที่ผลิตในเดือนถัดมามีความเข้มข้นเกือบ 7% ในเดือนสิงหาคม ขั้นตอนสุดท้ายจากทั้งหมด 2,892 ขั้นตอนเริ่มดำเนินการ K-25 และ K-27 บรรลุศักยภาพสูงสุดในช่วงต้นหลังสงคราม เมื่อโรงงานเหล่านี้มีประสิทธิภาพเหนือกว่าโรงงานผลิตอื่นๆ และกลายเป็นต้นแบบของโรงงานรุ่นใหม่^{[ 172 ]}

การแพร่ความร้อน

กระบวนการแพร่ความร้อนนั้นอิงตามทฤษฎีของซิดนีย์ แชปแมนและเดวิด เอนสโกกซึ่งอธิบายว่าเมื่อก๊าซผสมไหลผ่านบริเวณที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน ก๊าซที่หนักกว่าจะมีแนวโน้มที่จะไปรวมตัวกันที่ปลายด้านเย็น และก๊าซที่เบากว่าจะไปรวมตัวกันที่ปลายด้านอุ่น^{[ 173 ]}นักวิทยาศาสตร์ของกองทัพเรือสหรัฐฯ ได้พัฒนาเทคโนโลยีนี้ขึ้น แต่ไม่ใช่หนึ่งในเทคโนโลยีเสริมสมรรถนะยูเรเนียมที่ถูกเลือกใช้ในโครงการแมนฮัตตันในตอนแรก สาเหตุหลักมาจากความสงสัยในความเป็นไปได้ทางเทคนิค แต่การแข่งขันระหว่างกองทัพบกและกองทัพเรือก็มีส่วนเกี่ยวข้องด้วย^{[ 174 ]}ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือยังคงทำการวิจัยต่อภายใต้การกำกับดูแลของฟิลิป อับเบลสัน แต่มีการติดต่อกับโครงการแมนฮัตตันน้อยมากจนกระทั่งเดือนเมษายน พ.ศ. 2487 เมื่อกัปตันวิลเลียม เอส. พาร์สันส์นายทหารเรือผู้รับผิดชอบการพัฒนาอาวุธยุทโธปกรณ์ที่ลอสอะลามอส ได้นำข่าวความคืบหน้าที่น่าพอใจเกี่ยวกับการแพร่ความร้อนมาแจ้งให้ออปเพนไฮเมอร์ทราบ ออปเพนไฮเมอร์จึงแจ้งให้โกรฟส์ทราบ ซึ่งโกรฟส์ได้อนุมัติการก่อสร้างโรงงานความร้อนในวันที่ 24 มิถุนายน พ.ศ. 2487 ^{[ 175 ]}

Groves ทำสัญญากับบริษัท HK Ferguson แห่งเมืองคลีฟแลนด์รัฐโอไฮโอ เพื่อสร้างโรงงานแพร่กระจายความร้อน ซึ่งได้รับการกำหนดให้เป็น S-50 ^{[ 176 ]}แผนดังกล่าวระบุให้ติดตั้ง คอลัมน์แพร่กระจาย สูง 48 ฟุต (15 ม.) จำนวน 2,142 คอลัมน์ จัดเรียงเป็น 21 แร็ค ภายในแต่ละคอลัมน์มีท่อศูนย์กลางสามท่อ ไอน้ำที่ได้จากโรงไฟฟ้า K-25 ที่อยู่ใกล้เคียง^{[ i ]}ที่ความดัน100 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (690 kPa)และอุณหภูมิ545 °F (285 °C)ไหลลงผ่าน ท่อนิกเกิล ขนาด 1.25 นิ้ว (32 มม.) ที่อยู่ด้านในสุด ในขณะที่น้ำที่อุณหภูมิ155 °F (68 °C)ไหลขึ้นผ่านท่อเหล็กที่อยู่ด้านนอกสุด ยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์ไหลในท่อทองแดงตรงกลาง และการแยกไอโซโทปของยูเรเนียมเกิดขึ้นระหว่างท่อนิกเกิลและท่อทองแดง^{[ 177 ]}งานเริ่มขึ้นเมื่อวันที่ 9 กรกฎาคม พ.ศ. 2487 และ S-50 เริ่มดำเนินการบางส่วนในเดือนกันยายน การรั่วไหลจำกัดการผลิตและบังคับให้ปิดโรงงานในช่วงไม่กี่เดือนถัดมา แต่ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2488 โรงงาน S-50 ผลิตผลิตภัณฑ์เสริมสมรรถนะเล็กน้อยได้ 12,730 ปอนด์ (5,770 กิโลกรัม) ^{[ 178 ]}        

By March 1945, all 21 production racks were operating. Initially the output of S-50 was fed into Y-12, but starting in March 1945 all three enrichment processes were run in series. S-50 became the first stage, enriching the uranium from 0.71% to 0.89% uranium-235. This was then fed into the gaseous diffusion process in the K-25 plant, which produced a product enriched to about 23%. In turn, this was fed into Y-12,^[179] which boosted it to about 89%, sufficient for use in nuclear weapons. About 50 kilograms (110 lb) of uranium enriched to 89% was delivered to Los Alamos by July 1945. The entire 50 kg, along with some 50%-enriched, averaging out to about 85% enriched, were used in the first Little Boy bomb.^[180]

In March 1943, DuPont began construction of a plutonium plant on a 112-acre (0.5 km²) site at Oak Ridge. Intended as a pilot plant for the larger production facilities at Hanford, it included the air-cooled X-10 Graphite Reactor, a chemical separation plant, and support facilities. Because of the subsequent decision to construct water-cooled reactors at Hanford, only the chemical separation plant operated as a true pilot.^[182] The X-10 Graphite Reactor consisted of a huge block of graphite, 24 feet (7.3 m) per side, weighing around 1,500 short tons (1,400 t), surrounded by 7 feet (2.1 m) of high-density concrete as a radiation shield.^[182]

ปัญหาใหญ่ที่สุดที่พบคือแท่งยูเรเนียมที่ผลิตโดย Mallinckrodt และ Metal Hydrides แท่งเหล่านี้ต้องเคลือบด้วยอะลูมิเนียมเพื่อป้องกันการกัดกร่อนและการรั่วไหลของผลิตภัณฑ์ฟิสชันเข้าไปในระบบระบายความร้อน บริษัท Grasselli Chemical พยายามพัฒนากระบวนการจุ่มร้อนแต่ไม่ประสบความสำเร็จAlcoaลองใช้การบรรจุกระป๋อง โดยพัฒนากระบวนการเชื่อมแบบไร้ฟลักซ์แบบใหม่ กระป๋อง 97% ผ่านการทดสอบสุญญากาศมาตรฐาน แต่การทดสอบที่อุณหภูมิสูงแสดงให้เห็นอัตราความล้มเหลวมากกว่า 50% ถึงกระนั้น การผลิตก็เริ่มขึ้นในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2486 ในที่สุดห้องปฏิบัติการโลหะวิทยาก็ได้พัฒนาเทคนิคการเชื่อมที่ดีขึ้นด้วยความช่วยเหลือของGeneral Electricซึ่งถูกนำมาใช้ในกระบวนการผลิตในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2486 ^{[ 183 ]}

เครื่องปฏิกรณ์กราไฟต์ X-10 เริ่มทำงานในวันที่ 4 พฤศจิกายน พ.ศ. 2486 โดยใช้ยูเรเนียม ประมาณ 30 ตัน (27 ตัน) หนึ่งสัปดาห์ต่อมา ปริมาณยูเรเนียมเพิ่มขึ้นเป็น 36 ตัน (33 ตัน)ทำให้กำลังการผลิตเพิ่มขึ้นเป็น 500 กิโลวัตต์ และภายในสิ้นเดือนนั้นพลูโตเนียม 500 มิลลิกรัมแรกก็ถูกสร้างขึ้น^{[ 184 ]}การปรับปรุงแก้ไขอย่างค่อยเป็นค่อยไปทำให้กำลังการผลิตเพิ่มขึ้นเป็น 4,000 กิโลวัตต์ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2487 X-10 ดำเนินการเป็นโรงงานผลิตจนถึงเดือนมกราคม พ.ศ. 2488 เมื่อถูกเปลี่ยนไปใช้ในการวิจัย^{[ 185 ]}     

แม้ว่าการออกแบบระบายความร้อนด้วยอากาศจะถูกเลือกสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ที่โอ๊คริดจ์เพื่ออำนวยความสะดวกในการก่อสร้างอย่างรวดเร็ว แต่ก็ไม่สามารถนำไปใช้กับเครื่องปฏิกรณ์ผลิตขนาดใหญ่กว่ามากได้ การออกแบบเบื้องต้นโดยห้องปฏิบัติการโลหะวิทยาและดูปองท์ใช้ฮีเลียมในการระบายความร้อน ก่อนที่พวกเขาจะพบว่าเครื่องปฏิกรณ์ระบายความร้อนด้วยน้ำนั้นง่ายกว่า ถูกกว่า และสร้างได้เร็วกว่า^{[ 186 ]}การออกแบบนี้ยังไม่พร้อมใช้งานจนกระทั่งวันที่ 4 ตุลาคม พ.ศ. 2486 ในระหว่างนั้น แมทเธียสได้มุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงพื้นที่แฮนฟอร์ดโดยการสร้างที่พัก ปรับปรุงถนน สร้างทางรถไฟ และยกระดับระบบไฟฟ้า น้ำ และโทรศัพท์^{[ 187 ]}

เช่นเดียวกับที่โอ๊คริดจ์ ความยากลำบากที่สุดพบในระหว่างการบรรจุยูเรเนียมลงในกระป๋อง ซึ่งเริ่มขึ้นที่แฮนฟอร์ดในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2487 พวกมันถูกแช่น้ำเพื่อกำจัดสิ่งสกปรกและสิ่งเจือปน จุ่มลงในบรอนซ์หลอมเหลว ดีบุก และโลหะผสมอะลูมิเนียม-ซิลิคอนบรรจุลงในกระป๋องโดยใช้เครื่องอัดไฮดรอลิก จากนั้นปิดฝาโดยใช้การเชื่อมแบบอาร์คภายใต้บรรยากาศอาร์กอน สุดท้าย พวกมันถูกทดสอบเพื่อตรวจหาช่องโหว่หรือรอยเชื่อมที่ผิดพลาด น่าผิดหวังที่กระป๋องยูเรเนียมส่วนใหญ่ไม่ผ่านการทดสอบในตอนแรก ส่งผลให้ผลผลิตมีเพียงไม่กี่ชิ้นต่อวัน แต่ก็มีความคืบหน้าอย่างต่อเนื่อง และในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2487 การผลิตเพิ่มขึ้นจนดูเหมือนว่าจะมีกระป๋องยูเรเนียมเพียงพอที่จะเริ่มเดินเครื่องปฏิกรณ์ Bตามกำหนดในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2487 ^{[ 188 ]}

 งานก่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์ B ซึ่งเป็น เครื่องปฏิกรณ์ขนาด250 เมกะวัตต์เครื่องแรกจากทั้งหมดหกเครื่องที่วางแผนไว้ เริ่มขึ้น เมื่อวันที่ 10 ตุลาคม พ.ศ. 2486 ^{[ 189 ]}กลุ่มเครื่องปฏิกรณ์ได้รับการกำหนดตัวอักษรเป็น A ถึง F โดยที่ไซต์ B, D และ F ได้รับการพัฒนาเป็นอันดับแรก เนื่องจากจะทำให้ระยะห่างระหว่างเครื่องปฏิกรณ์มากที่สุด พวกมันเป็นเพียงกลุ่มเครื่องปฏิกรณ์เดียวที่ถูกสร้างขึ้นในระหว่างโครงการแมนฮัตตัน^{[ 190 ]}เหล็กประมาณ390 ตัน (350 ตัน)คอนกรีต17,400 ลูกบาศก์หลา (13,300 ^{ลูกบาศก์}เมตร) บล็อกคอนกรีต 50,000 ก้อน และอิฐคอนกรีต 71,000 ก้อน ถูกนำมาใช้ในการก่อสร้าง อาคารสูง120 ฟุต (37 เมตร)   

การก่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์เริ่มขึ้นในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2487 ^{[ 191 ]}โดยมีคอมป์ตัน แมทเธียสครอว์ฟอร์ด กรีนิววอลต์ จากดูปองท์ ลีโอนา วูดส์และเฟอร์มิ ผู้ซึ่งใส่แท่งเชื้อเพลิงแท่งแรก เฝ้าดูอยู่ เครื่องปฏิกรณ์เริ่มทำงานในวันที่ 13 กันยายน พ.ศ. 2487 ในอีกไม่กี่วันต่อมา มีการบรรจุแท่ง เชื้อเพลิง 838 แท่ง และเครื่องปฏิกรณ์ก็เข้าสู่สภาวะวิกฤต หลังเที่ยงคืนของวันที่ 27 กันยายนไม่นาน ผู้ปฏิบัติงานเริ่มดึง แท่งควบคุม ออก เพื่อเริ่มการผลิต ในตอนแรกทุกอย่างดูเหมือนจะเรียบร้อยดี แต่ประมาณ 03:00 น. ระดับพลังงานเริ่มลดลง และภายในเวลา 06:30 น. เครื่องปฏิกรณ์ก็หยุดทำงานโดยสมบูรณ์ มีการตรวจสอบน้ำหล่อเย็นเพื่อดูว่ามีการรั่วไหลหรือปนเปื้อนหรือไม่ วันรุ่งขึ้นเครื่องปฏิกรณ์เริ่มทำงานอีกครั้ง แต่ก็หยุดทำงานอีกครั้ง^{[ 192 ] [ 193 ]}

เฟอร์มิได้ติดต่อเฉียนซืองหวูซึ่งระบุสาเหตุของปัญหาว่า เกิดจาก พิษของนิวตรอนจากซีนอน-135ซึ่งมีครึ่งชีวิต 9.2 ชั่วโมง^{[ 194 ]} จากนั้น เฟอร์มิ วูดส์โดนัลด์ เจ. ฮิวจ์สและจอห์น อาร์ชิบัลด์ วีลเลอร์ได้คำนวณภาคตัดขวางนิวเคลียร์ของซีนอน-135 ซึ่งพบว่ามีค่ามากกว่ายูเรเนียมถึง 30,000 เท่า^{[ 195 ]}จอร์จ เกรฟส์ วิศวกรของดูปองท์ ได้เบี่ยงเบนจากการออกแบบดั้งเดิมของห้องปฏิบัติการโลหะวิทยา ซึ่งเครื่องปฏิกรณ์มีท่อ 1,500 ท่อเรียงเป็นวงกลม และได้เพิ่มท่ออีก 504 ท่อเพื่อเติมเต็มมุม นักวิทยาศาสตร์ในตอนแรกคิดว่าการออกแบบที่เกินความจำเป็นนี้เป็นการเสียเวลาและเงิน แต่เฟอร์มิตระหนักว่าด้วยการบรรจุท่อทั้งหมด 2,004 ท่อ เครื่องปฏิกรณ์สามารถเข้าถึงระดับพลังงานที่ต้องการและผลิตพลูโทเนียมได้อย่างมีประสิทธิภาพ^{[ 196 ]}เครื่องปฏิกรณ์ D เริ่มเดินเครื่องเมื่อวันที่ 17 ธันวาคม พ.ศ. 2487 และเครื่องปฏิกรณ์ F เริ่มเดินเครื่องเมื่อวันที่ 25 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2488 ^{[ 197 ]}

ในขณะเดียวกัน นักเคมีได้พิจารณาถึงวิธีการแยกพลูโทเนียมออกจากยูเรเนียมในเมื่อยังไม่ทราบคุณสมบัติทางเคมี ทีมงานภายใต้การนำของ Charles M. Cooper ได้พัฒนาวิธีการแยกโดยใช้แลนทานัมฟลูออไร ด์ โดยใช้พลูโทเนียมปริมาณเล็กน้อยที่มีอยู่ในห้องปฏิบัติการโลหะวิทยา ซึ่งถูกเลือกใช้สำหรับโรงงานแยกนำร่องต่อมา Seaborg และ Stanly G. Thomson ได้พัฒนา วิธีการแยกแบบที่สอง คือ กระบวนการบิสมัทฟอสเฟต^{[ 198 ]} Greenewalt ชื่นชอบกระบวนการบิสมัทฟอสเฟตเนื่องจากแลนทานัมฟลูออไรด์มีฤทธิ์กัดกร่อน และกระบวนการนี้ถูกเลือกใช้สำหรับโรงงานแยกที่ Hanford ^{[ 199 ]}เมื่อ X-10 เริ่มผลิตพลูโทเนียม โรงงานแยกนำร่องก็ถูกนำไปทดสอบ ชุดแรกได้รับการประมวลผลด้วยประสิทธิภาพ 40% แต่ในอีกไม่กี่เดือนต่อมา ประสิทธิภาพก็เพิ่มขึ้นเป็น 90% ^{[ 185 ]}

ที่แฮนฟอร์ด ในตอนแรกให้ความสำคัญสูงสุดกับการติดตั้งในพื้นที่ 300 ได้แก่ อาคารสำหรับทดสอบวัสดุ เตรียมยูเรเนียม และประกอบและสอบเทียบเครื่องมือ อาคารหลังหนึ่งเป็นที่ตั้งของอุปกรณ์บรรจุยูเรเนียมแท่ง ในขณะที่อีกหลังหนึ่งมีเครื่องปฏิกรณ์ทดสอบขนาดเล็ก แม้จะได้รับความสำคัญสูงสุด แต่การทำงานในพื้นที่ 300 ก็ล่าช้ากว่ากำหนดเนื่องจากลักษณะเฉพาะและซับซ้อนของสิ่งอำนวยความสะดวก และการขาดแคลนแรงงานและวัสดุในช่วงสงคราม^{[ 200 ]}

แผนเบื้องต้นกำหนดให้สร้างโรงงานแยกสาร 2 แห่งในแต่ละพื้นที่ที่รู้จักกันในชื่อ 200-ตะวันตกและ 200-ตะวันออก ต่อมาได้ลดเหลือ 2 แห่ง คือ โรงงาน T และ U ในพื้นที่ 200-ตะวันตก และอีก 1 แห่ง คือ โรงงาน B ในพื้นที่ 200-ตะวันออก^{[ 201 ]}โรงงานแยกสารแต่ละแห่งประกอบด้วยอาคาร 4 หลัง ได้แก่ อาคารเซลล์กระบวนการหรือ "แคนยอน" (รู้จักกันในชื่อ 221) อาคารเพิ่มความเข้มข้น (224) อาคารทำให้บริสุทธิ์ (231) และโกดังเก็บนิตยสาร (213) แคนยอนแต่ละแห่งมี ความยาว 800 ฟุต (240 เมตร)และ กว้าง 65 ฟุต (20 เมตร)แต่ละแห่งประกอบด้วยเซลล์ขนาด 17.7 x 13 x 20 ฟุต (5.4 x 4.0 x 6.1 เมตร) จำนวน 40 เซลล์ ^{[ 202 ]}   

การก่อสร้างอาคาร 221-T และ 221-U เริ่มขึ้นในเดือนมกราคม พ.ศ. 2487 โดยอาคาร 221-T เสร็จสมบูรณ์ในเดือนกันยายน และอาคาร 221-U ในเดือนธันวาคม อาคาร 221-B สร้างเสร็จในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2488 เนื่องจากมีระดับกัมมันตภาพรังสีสูงมาก การทำงานในโรงงานแยกสารจึงต้องควบคุมจากระยะไกลโดยใช้โทรทัศน์วงจรปิด ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่เคยมีมาก่อนในปี พ.ศ. 2486 การบำรุงรักษาดำเนินการโดยใช้เครนเหนือศีรษะและเครื่องมือที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ อาคาร 224 มีขนาดเล็กกว่าเนื่องจากมีวัสดุที่ต้องแปรรูปน้อยกว่า และมีกัมมันตภาพรังสีน้อยกว่า อาคาร 224-T และ 224-U สร้างเสร็จในวันที่ 8 ตุลาคม พ.ศ. 2487 และอาคาร 224-B สร้างเสร็จในวันที่ 10 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2488 วิธีการทำให้บริสุทธิ์ที่ใช้ใน 231-W ในที่สุดยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัดเมื่อเริ่มการก่อสร้างในวันที่ 8 เมษายน พ.ศ. 2487 แต่โรงงานก็สร้างเสร็จและได้เลือกวิธีการแล้วเสร็จภายในสิ้นปีนั้น^{[ 203 ]}เมื่อวันที่ 5 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2488 แมทเทียสได้ส่งมอบ พลูโทเนียมไนเตรตบริสุทธิ์ 95% จำนวน 80 กรัม ให้กับผู้ส่งสารของลอสอลาโมสในลอสแอนเจลิสด้วยตนเอง^{[ 197 ]}

ในปี พ.ศ. 2486 ความพยายามในการพัฒนาได้มุ่งไปที่อาวุธฟิชชันแบบปืนที่มีพลูโทเนียมเรียกว่าThin Manการวิจัยเบื้องต้นเกี่ยวกับคุณสมบัติของพลูโทเนียมทำโดยใช้พลูโทเนียม-239 ที่สร้างขึ้นจากไซโคลตรอน ซึ่งมีความบริสุทธิ์สูงมาก แต่สามารถสร้างได้ในปริมาณน้อยมากเท่านั้น ลอสอะลามอสได้รับตัวอย่างพลูโทเนียมตัวแรกจากเครื่องปฏิกรณ์ Clinton X-10 ในเดือนเมษายน พ.ศ. 2487 และภายในไม่กี่วัน Emilio Segrè ก็ค้นพบปัญหา: พลูโทเนียมที่สร้างขึ้นจากเครื่องปฏิกรณ์มีพลูโทเนียม-240 ที่มีความเข้มข้นสูงกว่า ส่งผลให้อัตราการเกิดฟิชชันโดยธรรมชาติสูงกว่าพลูโทเนียมจากไซโคลตรอนถึงห้าเท่า^{[ 204 ]}

สิ่งนี้ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานในอาวุธประเภทปืน เนื่องจากพลูโทเนียม-240 จะเริ่มปฏิกิริยาลูกโซ่เร็วเกินไป ทำให้เกิดการระเบิดก่อนกำหนดซึ่งจะกระจายมวลวิกฤตหลังจากที่พลูโทเนียมแตกตัวเพียงเล็กน้อย (เกิดการฟุ้งกระจาย ) มีการเสนอแนะปืนที่มีความเร็วสูงกว่า แต่พบว่าไม่สามารถทำได้จริง ความเป็นไปได้ในการแยกไอโซโทปก็ได้รับการพิจารณาและถูกปฏิเสธเช่นกัน เนื่องจากพลูโทเนียม-240 แยกออกจากพลูโทเนียม-239 ได้ยากกว่ายูเรเนียม-235 แยกออกจากยูเรเนียม-238 และการพยายามทำเช่นนั้น "จะทำให้การพัฒนาอาวุธล่าช้าออกไปอย่างไม่มีกำหนด" ^{[ 205 ]}

งานวิจัยเกี่ยวกับวิธีการออกแบบระเบิดแบบอื่นที่เรียกว่าการระเบิดแบบอัดแน่น (implosion) ได้เริ่มต้นขึ้นก่อนหน้านี้ภายใต้การกำกับดูแลของนักฟิสิกส์เซธ เนดเดอร์ไมเออร์ การระเบิดแบบอัดแน่นใช้วัตถุระเบิดเพื่อบดขยี้ทรงกลมของวัสดุฟิสไซล์ที่อยู่ในสภาวะวิกฤตให้มีขนาดเล็กลงและหนาแน่นขึ้น มวลวิกฤตจะถูกประกอบขึ้นในเวลาที่น้อยกว่าวิธีการใช้ปืนมาก เมื่ออะตอมฟิสไซล์ถูกบรรจุใกล้กันมากขึ้น อัตราการจับนิวตรอนก็จะเพิ่มขึ้น^{[ 206 ]}ดังนั้นจึงใช้ประโยชน์จากวัสดุฟิสไซล์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น^{[ 207 ]}การวิจัยของเนดเดอร์ไมเออร์ในปี 1943 และต้นปี 1944 แสดงให้เห็นถึงความหวัง แต่ก็ทำให้เห็นชัดเจนว่าอาวุธแบบอัดแน่นนั้นซับซ้อนกว่าการออกแบบแบบปืนทั้งในแง่ของทฤษฎีและวิศวกรรม^{[ 208 ]}ในเดือนกันยายนปี 1943 จอห์น ฟอน นอยมันน์ผู้ซึ่งมีประสบการณ์เกี่ยวกับประจุรูปทรงได้เสนอให้ใช้การกำหนดค่าทรงกลมแทนรูปทรงกระบอกที่เนดเดอร์ไมเออร์กำลังดำเนินการอยู่^{[ 209 ]}

ความพยายามเร่งด่วนในการออกแบบการระเบิดแบบอัดแน่น ซึ่งมีรหัสว่าFat Manเริ่มขึ้นในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2487 เมื่อออปเพนไฮเมอร์ได้ดำเนินการปรับโครงสร้างห้องปฏิบัติการลอสอะลาโมสครั้งใหญ่เพื่อมุ่งเน้นไปที่การ ระเบิดแบบอัดแน่น ^{[ 210 ]}มีการจัดตั้งกลุ่มใหม่สองกลุ่มที่ลอสอะลาโมสเพื่อพัฒนาอาวุธระเบิดแบบอัดแน่น ได้แก่ แผนก X (สำหรับวัตถุระเบิด) นำโดยผู้เชี่ยวชาญด้านวัตถุระเบิดจอร์จ คิสเตียคอฟสกีและแผนก G (สำหรับอุปกรณ์) ภายใต้การนำของโรเบิร์ต บาเชอร์^{[ 211 ] [ 212 ]}การออกแบบใหม่นี้มีเลนส์ระเบิดที่โฟกัสการระเบิดแบบอัดแน่นให้เป็นรูปทรงกลม^{[ 213 ]}การออกแบบเลนส์นั้นช้า ยาก และน่าหงุดหงิด^{[ 213 ]}มีการทดสอบวัตถุระเบิดหลายชนิดก่อนที่จะเลือกใช้ส่วนประกอบ Bและบาราโทล [ ^{214 ] การ}ออกแบบขั้นสุดท้ายมีลักษณะคล้ายลูกฟุตบอล โดยมีเลนส์หกเหลี่ยม 20 ชิ้นและเลนส์ห้าเหลี่ยม 12 ชิ้น แต่ละชิ้นหนักประมาณ80 ปอนด์ (36 กิโลกรัม ) การทำให้การระเบิดเป็นไปอย่างเหมาะสมนั้นจำเป็นต้องใช้ตัวจุดระเบิด ไฟฟ้าที่รวดเร็ว เชื่อถือได้ และปลอดภัย ซึ่งมีสองตัวสำหรับแต่ละเลนส์เพื่อความน่าเชื่อถือ^{[ 215 ]}พวกเขาใช้ตัวจุดระเบิดแบบลวดสะพานระเบิดซึ่งเป็นสิ่งประดิษฐ์ใหม่ที่พัฒนาขึ้นที่ลอสอะลาโมสโดยกลุ่มที่นำโดยหลุยส์ อัลวาเรซ^{[ 216 ] [ 217 ]} 

เพื่อศึกษาพฤติกรรมของคลื่นกระแทก ที่บรรจบกัน โรเบิร์ต เซอร์เบอร์ ได้คิดค้นการทดลอง RaLaซึ่งใช้ไอโซโทปรังสีแลนทานัม-140 ที่มีอายุสั้น ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดรังสีแกมมา ที่มีศักยภาพสูง แหล่งกำเนิดรังสีแกมมาถูกวางไว้ตรงกลางทรงกลมโลหะที่ล้อมรอบด้วยเลนส์ระเบิด ซึ่งอยู่ภายในห้องไอออนไนเซชัน อีกทีหนึ่ง วิธีนี้ทำให้สามารถถ่ายภาพเอกซเรย์ของการระเบิดได้ เลนส์ได้รับการออกแบบโดยใช้ชุดการทดสอบนี้เป็นหลัก^{[ 218 ]}ในประวัติของโครงการลอสอะลาโมสเดวิด ฮอว์กินส์เขียนว่า "RaLa กลายเป็นการทดลองเดี่ยวที่สำคัญที่สุดที่มีผลต่อการออกแบบระเบิดขั้นสุดท้าย" ^{[ 219 ]}

ภายในวัตถุระเบิดมีตัวดันอะลูมิเนียม ซึ่งช่วยให้การเปลี่ยนผ่านจากวัตถุระเบิดที่มีความหนาแน่นค่อนข้างต่ำไปยังชั้นถัดไปอย่างราบรื่น นั่นคือตัวอัดยูเรเนียมธรรมชาติ หน้าที่หลักของมันคือการยึดมวลวิกฤตไว้ด้วยกันให้นานที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แต่มันยังสะท้อนนิวตรอนเข้าไปในแกนกลาง และยูเรเนียมบางส่วนจะเกิดการแตกตัว เพื่อป้องกันการระเบิดก่อนกำหนดโดยนิวตรอนภายนอก ตัวอัดจึงถูกเคลือบด้วยโบรอนที่ดูดซับนิวตรอนบางๆ^{[ 215 ]}ตัวเริ่มต้นนิวตรอนแบบปรับแต่งโพโลเนียม-เบริลเลียมหรือที่รู้จักกันในชื่อ "เม่นทะเล" ^{[ 220 ]}ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อเริ่มต้นปฏิกิริยาลูกโซ่ในเวลาที่เหมาะสมที่สุด^{[ 221 ]}งานวิจัยเกี่ยวกับเคมีและโลหะวิทยาของโพโลเนียมกัมมันตรังสีนี้ได้รับการกำกับดูแลโดยCharles Allen Thomasจากบริษัท Monsantoและกลายเป็นที่รู้จักในชื่อ^{โครงการ} Dayton ^[ 222 ^]การทดสอบต้องการโพโลเนียมมากถึง 500 คูรีต่อเดือน ซึ่ง Monsanto สามารถจัดหาได้^{[ 223 ]}ชุดประกอบทั้งหมดถูกห่อหุ้มด้วย ปลอกระเบิด ดูราลูมินเพื่อป้องกันกระสุนและสะเก็ดระเบิด^{[ 215 ]}

ภารกิจที่สำคัญที่สุดของนักโลหะวิทยาคือการหาวิธีหล่อพลูโทเนียมให้เป็นทรงกลม ความยากลำบากเริ่มปรากฏชัดเมื่อความพยายามในการวัดความหนาแน่นของพลูโทเนียมให้ผลลัพธ์ที่ไม่สอดคล้องกัน ในตอนแรกสงสัยว่ามีการปนเปื้อน แต่ในไม่ช้าก็พบว่าพลูโทเนียมมีหลายรูปแบบ [ ^{224 ] เฟส} α ที่เปราะซึ่งมีอยู่ในอุณหภูมิห้องจะเปลี่ยนเป็นเฟส β ที่ยืดหยุ่นได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น จากนั้นความสนใจจึงเปลี่ยนไปที่เฟส δ ที่อ่อนตัวได้มากกว่า ซึ่งโดยปกติจะมีอยู่ในช่วง 300  °C ถึง 450  °C พบว่าเฟสนี้มีความเสถียรที่อุณหภูมิห้องเมื่อผสมกับอะลูมิเนียม แต่เนื่องจากอะลูมิเนียมปล่อยนิวตรอนเมื่อถูกอนุภาคอัลฟา โจมตี ซึ่งจะทำให้ปัญหาการจุดระเบิดก่อนกำหนดรุนแรงขึ้น นักโลหะวิทยาจึงคิดค้นการใช้โลหะผสมพลูโทเนียม-แกลเลียมซึ่งทำให้เฟส δ มีเสถียรภาพและสามารถอัดขึ้นรูปด้วยความร้อนให้เป็นรูปทรงกลมตามต้องการได้ เนื่องจากพบว่าพลูโทเนียมเกิดการกัดกร่อนได้ง่าย จึงเคลือบทรงกลมด้วยนิกเกิล^{[ 225 ]}

งานนี้พิสูจน์แล้วว่าอันตราย เมื่อสิ้นสุดสงคราม นักเคมีและนักโลหะวิทยาครึ่งหนึ่งต้องถูกถอดออกจากงานที่เกี่ยวข้องกับพลูโทเนียม เนื่องจากตรวจพบระดับธาตุที่สูงเกินกว่าจะยอมรับได้ในปัสสาวะของพวกเขา^{[ 226 ]}เหตุเพลิงไหม้เล็กน้อยที่ลอสอะลามอสในเดือนมกราคม พ.ศ. 2488 ทำให้เกิดความกังวลว่าไฟไหม้ในห้องปฏิบัติการพลูโทเนียมอาจปนเปื้อนทั้งเมือง และโกรฟส์ได้อนุมัติให้สร้างโรงงานใหม่สำหรับเคมีและโลหะวิทยาของพลูโทเนียม ซึ่งต่อมาเป็นที่รู้จักในชื่อไซต์ DP ^{[ 227 ]}ครึ่งทรงกลมสำหรับแกน พลูโทเนียมชิ้นแรก ถูกผลิตและส่งมอบในวันที่ 2 กรกฎาคม พ.ศ. 2488 ครึ่งทรงกลมอีกสามชิ้นตามมาในวันที่ 23 กรกฎาคม และส่งมอบในอีกสามวันต่อมา^{[ 228 ]}

เมื่อเปรียบเทียบกับพลูโทเนียมแฟตแมน อาวุธแบบปืนลิตเติลบอยที่ใช้ยูเรเนียมนั้นออกแบบได้ง่ายและตรงไปตรงมา ความรับผิดชอบโดยรวมถูกมอบหมายให้แก่กองสรรพาวุธ (O) ของพาร์สันส์ โดยการออกแบบ การพัฒนา และงานทางเทคนิคที่ลอสอะลามอสถูกรวมไว้ภายใต้ กลุ่มของ ร้อยโทฟรานซิส เบิร์ชการออกแบบแบบปืนต้องใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะเท่านั้น ซึ่งทำให้การออกแบบง่ายขึ้นมาก ไม่จำเป็นต้องใช้ปืนความเร็วสูงอีกต่อไป และได้เปลี่ยนมาใช้อาวุธที่เรียบง่ายกว่าแทน^{[ 229 ] [ 230 ]}

การวิจัยเกี่ยวกับซูเปอร์ก็ดำเนินต่อไปเช่นกัน แม้ว่าจะถือว่าเป็นเรื่องรองจากการพัฒนาระเบิดฟิสชั่นก็ตาม ความพยายามนี้ได้รับการกำกับดูแลโดยเทลเลอร์ ซึ่งเป็นผู้สนับสนุนที่กระตือรือร้นที่สุด^{[ 231 ]}กลุ่ม F-1 (ซูเปอร์) คำนวณว่าการเผาไหม้ดิวเทอเรียมเหลว1 ลูกบาศก์เมตร (35 ลูกบาศก์ฟุต)จะปลดปล่อยพลังงานเทียบเท่ากับทีเอ็นที 10 เมกะตัน (42 เพตาจู ^ล)ซึ่งเพียงพอที่จะทำลายล้าง พื้นที่ 1,000 ตารางไมล์ ( 2,600 ตารางกิโลเมตร) ^{[ 232 ]}ในรายงานฉบับสุดท้ายเกี่ยวกับซูเปอร์ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2489 เทลเลอร์ยังคงมองโลกในแง่ดีเกี่ยวกับโอกาสที่จะพัฒนามันได้สำเร็จ แม้ว่าความคิดเห็นนั้นจะไม่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปก็ตาม^{[ 233 ]}    

เนื่องจากความซับซ้อนของอาวุธแบบระเบิดภายใน จึงมีการตัดสินใจว่า แม้จะมีการสิ้นเปลืองวัสดุฟิสไซล์ แต่ก็ จำเป็นต้องมี การทดสอบนิวเคลียร์ เต็มรูปแบบ โอปเพนไฮเมอร์ตั้งชื่อรหัสว่า "ทรินิตี้" ^{[ 234 ]}ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2487 การวางแผนการทดสอบถูกมอบหมายให้เคนเนธ เบนบริดจ์ซึ่งเลือกสนามฝึกยิงระเบิดอะลาโมกอร์โดเป็นสถานที่ทดสอบ^{[ 235 ]}มีการสร้างค่ายฐานพร้อมค่ายทหาร คลังสินค้า โรงงาน คลังเก็บวัตถุระเบิด และโรงอาหาร^{[ 236 ]}มีการระเบิดก่อนการทดสอบในวันที่ 7 พฤษภาคม พ.ศ. 2488 เพื่อปรับเทียบเครื่องมือ มีการสร้างแท่นทดสอบไม้ห่างจากจุดศูนย์กลางการระเบิดของทรินิตี้ในอนาคต800 หลา (730 เมตร) และอัดแน่นด้วย วัตถุระเบิดแรงสูง ประมาณ 100 ตัน (91 ตัน) ^{[ j ]}ที่ผสมกับผลิตภัณฑ์ฟิสชั่นนิวเคลียร์^{[ 239 ] [ 240 ]}  

โกรฟส์ไม่ชอบที่จะต้องอธิบายต่อคณะกรรมการวุฒิสภาถึงการสูญเสียพลูโทเนียมมูลค่าพันล้านดอลลาร์ ดังนั้นจึงมีการสร้างภาชนะกักเก็บทรงกระบอกที่มีชื่อรหัสว่า "จัมโบ้" เพื่อกู้คืนวัสดุที่ใช้งานอยู่หากเกิดความล้มเหลว ภาชนะนี้ถูกสร้างขึ้นด้วยค่าใช้จ่ายมหาศาลจากเหล็กและเหล็กกล้าจำนวน214 ตัน (194 ตัน) ^{[ 241 ]}อย่างไรก็ตาม เมื่อถึงเวลาที่มันมาถึง ความเชื่อมั่นในวิธีการระเบิดแบบยุบตัวก็สูงขึ้น และปริมาณพลูโทเนียมที่มีอยู่ก็เพียงพอแล้ว โอปเพนไฮเมอร์จึงตัดสินใจไม่ใช้มัน แต่กลับนำไปวางไว้บนยอดหอคอยเหล็กที่ อยู่ห่างจากอาวุธ 800 หลา (730 เมตร)เพื่อเป็นตัววัดคร่าวๆ ของพลังการระเบิด จัมโบ้รอดมาได้ แม้ว่าหอคอยจะไม่รอดก็ตาม ซึ่งเป็นการเพิ่มความน่าเชื่อถือให้กับความเชื่อที่ว่าจัมโบ้จะสามารถกักเก็บการระเบิดที่ล้มเหลวได้ สำเร็จ ^{[ 242 ] [ 239 ]}  

สำหรับการทดสอบจริง อาวุธดังกล่าวซึ่งมีชื่อเล่นว่า "อุปกรณ์" ถูกยกขึ้นไปไว้บนยอด หอคอยเหล็ก สูง 100 ฟุต (30 เมตร)เนื่องจากการระเบิดที่ความสูงระดับนั้นจะช่วยให้เห็นภาพพฤติกรรมของอาวุธได้ชัดเจนยิ่งขึ้นเมื่อถูกปล่อยลงมาจากเครื่องบินทิ้งระเบิด การระเบิดกลางอากาศจะเพิ่มพลังงานที่ส่งตรงไปยังเป้าหมายให้มากที่สุดและก่อให้เกิดกัมมันตรังสีตกค้าง น้อยลง อุปกรณ์ดังกล่าวถูกประกอบขึ้นภายใต้การดูแลของนอร์ริส แบรดเบอรีที่บ้านไร่แมคโดนัลด์ ที่อยู่ใกล้เคียง ในวันที่ 13 กรกฎาคม และถูกยกขึ้นไปบนหอคอยอย่างระมัดระวังในวันถัดมา^{[ 243 ]} 

เวลา 05:30 น. ของวันที่ 16 กรกฎาคม พ.ศ. 2488 อุปกรณ์ดังกล่าวระเบิดด้วยพลังงานเทียบเท่ากับทีเอ็นทีประมาณ 20 กิโลตัน ทำให้เกิดหลุมอุกกาบาตของทริไนต์ (แก้วกัมมันตรังสี) ในทะเลทราย กว้าง 250 ฟุต (76 เมตร)คลื่นกระแทกรู้สึกได้ไกลกว่า100 ไมล์ (160 กิโลเมตร)และกลุ่มควันรูปเห็ด สูง ถึง7.5 ไมล์ (12.1 กิโลเมตร)ได้ยินเสียงไกลถึงเอลปาโซ รัฐเท็กซัสดังนั้นโกรฟส์จึงออกข่าวปกปิดเกี่ยวกับการระเบิดของคลังกระสุนที่สนามบินอะลาโมกอร์โดซึ่งเกี่ยวข้องกับกระสุนแก๊ส^{[ 244 ] [ 245 ]}   

ต่อมาออปเพนไฮเมอร์อ้างว่า ขณะที่เห็นการระเบิด เขาได้นึกถึงบทกวีจากคัมภีร์ศักดิ์สิทธิ์ของศาสนาฮินดูภควัตคีตา (XI,12):

พร้อมกับบทกวี (XI,32) ซึ่งเขาแปลว่า "บัดนี้ข้าพเจ้าได้กลายเป็นความตาย ผู้ทำลายล้างโลก" ^{[ 248 ] [ 249 ] [ k ]}

การทดสอบประสบความสำเร็จมากกว่าที่คาดไว้มาก ข่าวนี้ถูกส่งทางโทรเลขไปยังสติมสันทันที ซึ่งขณะนั้นเขาอยู่ที่การประชุมพ็อตสดัมและโกรฟส์ได้รีบจัดทำรายงานฉบับยาวขึ้นและส่งทางไปรษณีย์ด่วน ประธานาธิบดีแฮร์รี เอส. ทรูแมนได้รับผลกระทบอย่างมากและในเชิงบวกจากข่าวนี้ สติมสันบันทึกไว้ในไดอารี่ของเขาว่า เมื่อเขาแบ่งปันข่าวนี้กับเชอร์ชิลล์ เชอร์ชิลล์กล่าวว่า "ตอนนี้ฉันรู้แล้วว่าเกิดอะไรขึ้นกับทรูแมนเมื่อวานนี้ ฉันไม่เข้าใจเลย เมื่อเขาไปถึงที่ประชุมหลังจากอ่านรายงานนี้แล้ว เขากลายเป็นคนเปลี่ยนไป เขาบอกชาวรัสเซียว่าพวกเขาขึ้นและลงตรงไหน และโดยทั่วไปแล้วก็ควบคุมการประชุมทั้งหมด" ^{[ 251 ]}

การเซ็นเซอร์ข้อมูลอะตอมโดยสมัครใจเริ่มขึ้นก่อนโครงการแมนฮัตตัน หลังจากสงครามในยุโรปเริ่มขึ้นในปี 1939 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันเริ่มหลีกเลี่ยงการตีพิมพ์งานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับกองทัพ และในปี 1940 วารสารทางวิทยาศาสตร์เริ่มขอให้สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติอนุมัติบทความวิลเลียม แอล. ลอว์เรนซ์จากเดอะนิวยอร์กไทมส์ซึ่งเขียนบทความเกี่ยวกับการแตกตัวของอะตอมในเดอะแซทเทอร์เดย์อีฟนิงโพสต์เมื่อวันที่ 7 กันยายน 1940 ต่อมาได้ทราบว่าเจ้าหน้าที่รัฐบาลขอให้บรรณารักษ์ทั่วประเทศถอนฉบับดังกล่าวในปี 1943 ^{[ 271 ]}อย่างไรก็ตาม สหภาพโซเวียตสังเกตเห็นความเงียบนี้ ในเดือนเมษายน 1942 นักฟิสิกส์นิวเคลียร์เกออร์กี ฟลอรอฟเขียนจดหมายถึงโจเซฟ สตาลินเกี่ยวกับการไม่มีบทความเกี่ยวกับการแตกตัวของนิวเคลียร์ในวารสารของอเมริกา ซึ่งส่งผลให้สหภาพโซเวียตจัดตั้งโครงการระเบิดปรมาณูของตนเองขึ้น^{[ 272 ]}

โครงการแมนฮัตตันดำเนินการภายใต้การรักษาความปลอดภัยอย่างเข้มงวดเพื่อป้องกันไม่ให้การค้นพบกระตุ้นให้ฝ่ายอักษะ โดยเฉพาะเยอรมนี เร่งโครงการนิวเคลียร์ของตนเองหรือดำเนินการปฏิบัติการลับต่อโครงการ^{[ 273 ]}สำนักงานเซ็นเซอร์อาศัยสื่อมวลชนในการปฏิบัติตามจรรยาบรรณโดยสมัครใจที่เผยแพร่ และในตอนแรกโครงการหลีกเลี่ยงการแจ้งให้สำนักงานทราบ ในช่วงต้นปี 1943 หนังสือพิมพ์เริ่มตีพิมพ์รายงานเกี่ยวกับการก่อสร้างขนาดใหญ่ในเทนเนสซีและวอชิงตัน และสำนักงานเริ่มหารือกับโครงการเกี่ยวกับวิธีการรักษาความลับ ในเดือนมิถุนายน สำนักงานขอให้หนังสือพิมพ์และผู้ประกาศข่าวหลีกเลี่ยงการพูดคุยเกี่ยวกับ "การทุบอะตอม พลังงานอะตอม การแตกตัวของอะตอม การแยกอะตอม หรือสิ่งเทียบเท่าใดๆ การใช้เรเดียมหรือวัสดุกัมมันตรังสี น้ำหนัก อุปกรณ์ปล่อยประจุไฟฟ้าแรงสูง ไซโคลตรอนเพื่อวัตถุประสงค์ทางทหาร" ^{[ 274 ] [ 266 ]}

ความเป็นไปได้ของการก่อวินาศกรรมมีอยู่เสมอ และบางครั้งก็ถูกสงสัยเมื่ออุปกรณ์ทำงานผิดพลาด แม้ว่าจะมีปัญหาบางอย่างที่เชื่อว่าเป็นผลมาจากพนักงานที่ประมาทหรือไม่พอใจ แต่ก็ไม่มีกรณีใดที่ได้รับการยืนยันว่าเป็นการก่อวินาศกรรมที่ริเริ่มโดยฝ่ายอักษะ^{[ 275 ]}อย่างไรก็ตาม ในวันที่ 10 มีนาคม พ.ศ. 2488 บอลลูนไฟ ของญี่ปุ่น ได้ชนกับสายไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้าที่พุ่งสูงขึ้นทำให้เครื่องปฏิกรณ์ทั้งสามเครื่องที่แฮนฟอร์ดต้องปิดตัวลงชั่วคราว^{[ 276 ]}ด้วยจำนวนผู้เกี่ยวข้องมากมาย การรักษาความปลอดภัยจึงเป็นเรื่องยาก หน่วย ข่าวกรอง พิเศษ ถูกจัดตั้งขึ้นเพื่อจัดการกับปัญหาด้านความปลอดภัยของโครงการ^{[ 277 ]}ในปี พ.ศ. 2486 เป็นที่ชัดเจนว่าสหภาพโซเวียตกำลังพยายามแทรกซึมเข้าไปในโครงการ พันโทบอริส ที. พัชหัวหน้าหน่วยข่าวกรองของกองบัญชาการป้องกันตะวันตกได้ทำการสอบสวนการจารกรรมของโซเวียตที่ต้องสงสัยที่ห้องปฏิบัติการรังสีในเบิร์กลีย์ Oppenheimer แจ้ง Pash ว่าเขาได้รับการติดต่อจากศาสตราจารย์Haakon Chevalier ที่ Berkeley เกี่ยวกับการส่งข้อมูลไปยังสหภาพโซเวียต^{[ 278 ]}

สายลับโซเวียตที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดคือเคลาส์ ฟุคส์นักฟิสิกส์และสมาชิกของคณะผู้แทนอังกฤษ ซึ่งมีส่วนเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับงานที่ลอสอะลามอสในการออกแบบระเบิดแบบยุบตัว^{[ 279 ]}กิจกรรมจารกรรมของเขาไม่ได้รับการเปิดเผยจนกระทั่งปี 1950 อันเป็นผลมาจากโครงการเวโนนาการเปิดเผยกิจกรรมจารกรรมของเขาสร้างความเสียหายให้กับความร่วมมือด้านนิวเคลียร์ของสหรัฐอเมริกากับอังกฤษและแคนาดา^{[ 280 ]}และต่อมาได้มีการเปิดเผยกรณีจารกรรมอื่นๆ ซึ่งนำไปสู่การจับกุมแฮร์รี่ โกลด์เดวิดกรีนกลาสและจูเลียสและเอเธล โรเซนเบิร์ก [ ^{281 ] สายลับ}คนอื่นๆ เช่นจอร์จ โควาลและธีโอดอร์ ฮอลล์ยังคงไม่เป็นที่รู้จักเป็นเวลาหลายทศวรรษ^{[ 282 ]}คุณค่าของการจารกรรมนั้นยากที่จะวัดปริมาณได้ เนื่องจากข้อจำกัดหลักของโครงการระเบิดปรมาณูของโซเวียตคือการขาดแคลนแร่ยูเรเนียม อาจช่วยประหยัดเวลาให้โซเวียตได้อย่างน้อยหนึ่งหรือสองปีในการพัฒนาระเบิดของตนเอง^{[ 283 ]}แม้ว่านักประวัติศาสตร์บางคนจะโต้แย้งว่าโซเวียตใช้เวลาตรวจสอบและทำซ้ำข้อมูลมากพอๆ กับที่พวกเขาจะประหยัดได้หากพวกเขาเชื่อถือข้อมูลนั้น^{[ 284 ]}

เครื่องบินฝ่ายสัมพันธมิตรเพียงลำเดียวที่สามารถบรรทุกระเบิด Thin Man ที่ยาว 17 ฟุต (5.2 ม.)หรือระเบิดFat Man ที่กว้าง59 นิ้ว (150 ซม.) ได้คือเครื่องบิน Avro Lancaster ของอังกฤษ แต่การใช้เครื่องบินของอังกฤษจะทำให้เกิดความยากลำบากในการบำรุงรักษา Groves หวังว่าเครื่องบินBoeing B-29 Superfortress ของอเมริกา จะสามารถดัดแปลงให้บรรทุก Thin Man ได้โดยการเชื่อมช่องเก็บระเบิด สองช่อง เข้าด้วยกัน^{[ 300 ]} แต่ สิ่งนี้ไม่จำเป็นอีกต่อไปหลังจากที่ยกเลิกการใช้ Thin Man เนื่องจากระเบิด Little Boy มีขนาดสั้นพอที่จะใส่ในช่องเก็บระเบิดของ B-29 ได้^{[ 230 ]}แต่ก็ยังจำเป็นต้องมีการดัดแปลง กอง บัญชาการจัดหาวัสดุของกองทัพอากาศที่Wright Fieldรัฐโอไฮโอ เริ่มโครงการ Silverplateซึ่งเป็นชื่อรหัสสำหรับการดัดแปลง B-29 ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2486 มีการทดสอบการปล่อยระเบิดที่สนามบิน Muroc Army Air Fieldและสถานีทดสอบอาวุธยุทโธปกรณ์ของกองทัพเรือ ในแคลิฟอร์เนีย โดยใช้ ระเบิด Thin Man และ Fat Man เพื่อทดสอบคุณลักษณะด้านขีปนาวิถี การจุดระเบิด และความเสถียร^{[ 301 ]}  

กลุ่มผสมที่ 509ได้รับการจัดตั้งขึ้นเมื่อวันที่ 17 ธันวาคม พ.ศ. 2487 ที่สนามบินทหารเวนโดเวอร์ รัฐยูทาห์ ภายใต้การบังคับบัญชาของพันเอกพอ ล ดับเบิลยู. ทิบบิตส์ ฝูงบินทิ้งระเบิดที่ 393ซึ่งติดตั้งเครื่องบิน B-29 รุ่นซิลเวอร์เพลท ได้ทำการฝึกบินระยะไกลเหนือน้ำและทิ้งระเบิดฟักทอง^{[ 302 ]}หน่วยพิเศษที่รู้จักกันในชื่อโครงการอัลเบอร์ตาถูกจัดตั้งขึ้นที่ลอสอะลามอสภายใต้การบังคับบัญชาของพาร์สันส์เพื่อช่วยในการเตรียมและส่งมอบระเบิด^{[ 302 ]}กลุ่มผสมที่ 509 ได้เคลื่อนพลไปยังสนามบินนอร์ธฟิลด์บนเกาะทิเนียนในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2488 ^{[ 303 ]}ส่วนประกอบส่วนใหญ่ของลิตเติลบอยออกจากซานฟรานซิสโกบนเรือลาดตระเวนUSS อินเดียนาโพ  ลิส เมื่อวันที่ 16 กรกฎาคม และมาถึงเกาะทิเนียนเมื่อวันที่ 26 กรกฎาคม ส่วนประกอบที่เหลือ ซึ่งรวมถึงวงแหวนยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูง 6 วง ถูกส่งมาโดย เครื่องบิน Douglas C-54 Skymaster จำนวน 3 ลำ ของฝูงบินขนส่งกำลังพลที่ 320 ของกลุ่มที่ 509 ^{[ 304 ]}ชุดประกอบ Fat Man สองชุดเดินทางไปยังเกาะทิเนียนโดยเครื่องบิน B-29 ของกลุ่มผสมที่ 509 ที่ได้รับการดัดแปลงเป็นพิเศษ และแกนพลูโตเนียม ชิ้นแรก ถูกส่งไปในเครื่องบิน C-54 พิเศษ^{[ 305 ]}

ในช่วงปลายเดือนธันวาคม พ.ศ. 2487 ด้วยความกังวลต่อความสูญเสียอย่างหนักที่เกิดขึ้นในยุทธการที่อาร์เดนส์ รูสเวลต์จึงสั่งการให้โกรฟส์และสติมสันว่า หากระเบิดปรมาณูพร้อมใช้งานก่อนที่สงครามกับเยอรมนีจะสิ้นสุดลง พวกเขาควรเตรียมพร้อมที่จะทิ้งระเบิดใส่เยอรมนี แต่ญี่ปุ่นถูกมองว่ามีโอกาสมากกว่า^{[ 306 ]}ในช่วงปลายเดือนเมษายน พ.ศ. 2488 คณะกรรมการกำหนดเป้าหมายถูกจัดตั้งขึ้นเพื่อพิจารณาว่าเมืองใดควรเป็นเป้าหมาย และคณะกรรมการได้แนะนำโคคุระฮิโรชิมานีงาตะและเกียวโตสติมสันเข้ามาแทรกแซงโดยประกาศว่าเขาจะเป็นผู้ตัดสินใจกำหนดเป้าหมาย และเขาจะไม่อนุญาตให้ทิ้งระเบิดเกียวโตเนื่องจากมีความสำคัญทางประวัติศาสตร์และศาสนา^{[ 307 ]} ในที่สุด นางาซากิก็ถูกแทนที่^{[ 308 ]}ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2488 คณะกรรมการชั่วคราวถูกสร้างขึ้นเพื่อให้คำแนะนำเกี่ยวกับการใช้พลังงานนิวเคลียร์ในช่วงสงครามและหลังสงคราม คณะกรรมการชั่วคราวได้จัดตั้งคณะทำงานทางวิทยาศาสตร์ซึ่งประกอบด้วย อาร์เธอร์ คอมป์ตัน, เฟอร์มิ, ลอว์เรนซ์ และออปเพนไฮเมอร์ โดยคณะทำงานทางวิทยาศาสตร์ได้เสนอความเห็นไม่เพียงแต่เกี่ยวกับผลกระทบทางกายภาพที่อาจเกิดขึ้นจากระเบิดปรมาณูเท่านั้น แต่ยังรวมถึงผลกระทบทางทหารและการเมืองที่อาจเกิดขึ้นด้วย ในการประชุมเมื่อวันที่ 1 มิถุนายน คณะกรรมการชั่วคราวได้มีมติว่า "ควรใช้ระเบิดปรมาณูโจมตีญี่ปุ่นโดยเร็วที่สุด ควรใช้กับโรงงานผลิตอาวุธที่ล้อมรอบด้วยบ้านของคนงาน และควรใช้โดยไม่มีการเตือนล่วงหน้า" ^{[ 309 ] [ 310 ]}

ในการประชุมพ็อตสดัมในเยอรมนี ประธานาธิบดีแฮร์รี เอส. ทรูแมนบอกกับสตาลินว่าสหรัฐฯ มี "อาวุธใหม่ที่มีพลังทำลายล้างสูงผิดปกติ" โดยไม่ได้ให้รายละเอียดใดๆ เนื่องจากเขา "ไม่ได้แสดงความสนใจเป็นพิเศษ" ทรูแมนจึงเข้าใจผิดว่าสตาลินไม่เข้าใจ ในความเป็นจริง สายลับโซเวียตได้แจ้งให้สตาลินทราบถึงงานและการทดสอบที่วางแผนไว้^{[ 311 ] [ 312 ] [ 313 ]}

คำสั่งโจมตีจากพลเอกโทมัส ที. แฮนดี้ถึงพลเอก คา ร์ล สปาตซ์ได้รับการอนุมัติจากมาร์แชลล์และสติมสันเมื่อวันที่ 25 กรกฎาคม ซึ่งระบุว่า "ระเบิดพิเศษลูกแรก" จะถูกใช้ "หลังจากประมาณวันที่ 3 สิงหาคม พ.ศ. 2488" และ "ระเบิดเพิ่มเติม" จะถูกใช้ "ทันทีที่เจ้าหน้าที่โครงการเตรียมพร้อม" ^{[ 314 ]}แผนปฏิบัติการคือการทิ้งระเบิดลูกแรกในวันที่ 2 สิงหาคม ระเบิดลูกที่สองในวันที่ 10 สิงหาคม และระเบิดลูกที่สามประมาณวันที่ 24 สิงหาคม อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสภาพอากาศเหนือประเทศญี่ปุ่นและความต้องการการทิ้งระเบิดแบบมองเห็นได้ วันที่ปฏิบัติภารกิจทิ้งระเบิดครั้งแรกจึงถูกเลื่อนออกไปเป็นวันที่ 6 สิงหาคม และครั้งที่สองถูกเลื่อนเข้ามาเป็นวันที่ 9 สิงหาคม^{[ 315 ]}

เมื่อวันที่ 6 สิงหาคม พ.ศ. 2488 เครื่องบินEnola Gayซึ่งเป็นเครื่องบินทิ้งระเบิด Boeing B-29 Superfortress ของฝูงบินทิ้งระเบิดที่ 393 ซึ่งมี Tibbets เป็นนักบิน ได้บินขึ้นจากสนามบินนอร์ธฟิลด์พร้อมกับระเบิด Little Boy ในช่องเก็บระเบิด ฮิโรชิม่า ซึ่งเป็นที่ตั้งกองบัญชาการของกองทัพที่ 2และกองพลที่ 5และเป็นท่าเรือสำหรับการขึ้นบิน เป็นเป้าหมายหลัก โดยมีโคคุระและนางาซากิเป็นเป้าหมายสำรอง Parsons ผู้เชี่ยวชาญด้านอาวุธที่รับผิดชอบภารกิจ ได้ประกอบระเบิดกลางอากาศเพื่อลดความเสี่ยงของการระเบิดนิวเคลียร์ในกรณีที่เครื่องบินตกขณะขึ้นบิน^{[ 316 ]}ระเบิดได้ระเบิดที่ระดับความสูง1,750 ฟุต (530 เมตร)ด้วยแรงระเบิดที่ต่อมาประเมินว่าเทียบเท่ากับ TNT 13 กิโลตัน^{[ 317 ]}พื้นที่ประมาณ4.7 ตารางไมล์ (12 ^{ตาราง}กิโลเมตร)ถูกทำลาย เจ้าหน้าที่ญี่ปุ่นระบุว่าอาคารในฮิโรชิมาถูกทำลาย 69% และอีก 6-7% ได้รับความเสียหาย การประเมินเบื้องต้นระบุว่ามีผู้เสียชีวิต 66,000 คน และบาดเจ็บ 69,000 คน การประเมินใหม่ในภายหลังซึ่งรวมถึงผู้ที่ถูกละเลยจากวิธีการก่อนหน้านี้ เช่น แรงงานทาสชาวเกาหลีและทหารเพิ่มเติม สรุปได้ว่าอาจมีผู้เสียชีวิตจากการโจมตีถึง 140,000 คนภายในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2488 ^{[ 318 ] [ 319 ] [ 320 ] [ 321 ]}  

เช้าวันที่ 9 สิงหาคม 1945 เครื่องบินทิ้งระเบิด Bockscarซึ่ง เป็นเครื่องบิน B-29 ลำที่สองที่ขับโดยพันตรี ชาร์ลส์ ดับเบิลยู สวีนีย์ผู้บัญชาการฝูงบินทิ้งระเบิดที่ 393 ได้บินขึ้นพร้อมกับระเบิด Fat Man ในครั้งนี้ แอชเวิร์ธทำหน้าที่เป็นพลอาวุธ และโคคุระเป็นเป้าหมายหลัก เมื่อพวกเขาไปถึงโคคุระ พวกเขาพบว่าเมฆปกคลุมเมือง ทำให้ไม่สามารถโจมตีด้วยสายตาตามคำสั่งได้ หลังจากบินวนสามรอบและน้ำมันเชื้อเพลิงเหลือน้อย พวกเขาจึงมุ่งหน้าไปยังเป้าหมายรองคือ นางาซากิ แอชเวิร์ธตัดสินใจว่าจะใช้เรดาร์ในการโจมตีหากเป้าหมายถูกบดบัง แต่การเปิดของเมฆเหนือนางาซากิในนาทีสุดท้ายทำให้สามารถโจมตีด้วยสายตาได้ตามคำสั่ง ระเบิด Fat Man ถูกทิ้งลงเหนือหุบเขาอุตสาหกรรมของเมือง ตรงกลางระหว่างโรงงานเหล็กและอาวุธมิตซูบิชิทางใต้และโรงงานผลิตอาวุธมิตซูบิชิ-อุราคามิทางเหนือ การระเบิดที่เกิดขึ้นมีกำลังระเบิดเทียบเท่ากับ TNT 21 กิโลตัน ซึ่งใกล้เคียงกับการระเบิดของทรินิตี้ แต่จำกัดอยู่เฉพาะใน หุบเขา อุราคามิและส่วนใหญ่ของเมือง รวมถึงใจกลางเมือง ได้รับการปกป้องจากเนินเขาที่คั่นกลาง ประมาณ 44% ของเมืองถูกทำลาย และประมาณการผู้เสียชีวิตอยู่ระหว่าง 40,000 ถึง 80,000 คน และบาดเจ็บอย่างน้อย 60,000 คน^{[ 322 ]}โดยรวมแล้ว มีผู้เสียชีวิตประมาณ 35,000–40,000 คน และบาดเจ็บ 60,000 คน^{[ 323 ] [ 324 ] [ 318 ]}

โกรฟส์คาดว่าจะเตรียมระเบิดปรมาณูอีกหนึ่งลูกให้พร้อมใช้งานในวันที่ 19 สิงหาคม โดยมีอีกสามลูกในเดือนกันยายน และอีกสามลูกในเดือนตุลาคม^{[ 325 ]}ชุดประกอบแฟตแมนอีกสองชุดได้รับการเตรียมพร้อม และมีกำหนดจะออกจากเคิร์ตแลนด์ฟิลด์ไปยังทิเนียนในวันที่ 11 และ 14 สิงหาคม^{[ 324 ]}ที่ลอสอะลามอส ช่างเทคนิคทำงานต่อเนื่อง 24 ชั่วโมงเพื่อหล่อแกนพลูโตเนียมอีกอัน^{[ 326 ]}แม้ว่าจะหล่อเสร็จแล้ว แต่ก็ยังต้องนำไปอัดและเคลือบ ซึ่งจะใช้เวลาจนถึงวันที่ 16 สิงหาคม^{[ 327 ]}ดังนั้นจึงอาจพร้อมใช้งานในวันที่ 19 สิงหาคม

เมื่อวันที่ 10 สิงหาคม ทรูแมนได้รับแจ้งว่ากำลังมีการเตรียมระเบิดอีกลูกหนึ่ง เขาสั่งว่าห้ามใช้ระเบิดปรมาณูเพิ่มเติมโดยไม่ได้รับอนุญาตจากเขาโดยตรง ตามที่เฮนรี เอ. วอลเลซกล่าว ทรูแมนบอกกับคณะรัฐมนตรีว่า "ความคิดที่จะทำลายล้างผู้คนอีก 100,000 คนนั้นน่ากลัวเกินไป เขาไม่ชอบความคิดที่จะฆ่าอย่างที่เขาพูดว่า 'เด็กเหล่านั้นทั้งหมด'" ^{[ 328 ]}โกรฟส์ระงับการขนส่งแกนที่สามเมื่อวันที่ 13 สิงหาคม^{[ 329 ]}

เมื่อวันที่ 11 สิงหาคม โกรฟส์โทรศัพท์หา วอร์เรน พร้อมคำสั่งให้จัดตั้งทีมสำรวจเพื่อรายงานความเสียหายและกัมมันตภาพรังสีที่ฮิโรชิมาและนางาซากิโดยเร็วที่สุดหลังจากสงครามสิ้นสุดลง คณะสำรวจพร้อมเครื่องวัดรังสีไกเกอร์แบบพกพาเดินทางมาถึงฮิโรชิมาในวันที่ 8 กันยายน นำโดยฟาร์เรลและวอร์เรน พร้อมด้วยพลเรือตรีมาซาโอะ สึซึกิ ชาวญี่ปุ่น ซึ่งทำหน้าที่เป็นล่าม พวกเขาอยู่ในฮิโรชิมาจนถึงวันที่ 14 กันยายน จากนั้นจึงสำรวจนางาซากิตั้งแต่วันที่ 19 กันยายนถึง 8 ตุลาคม^{[ 330 ]}ภารกิจทางวิทยาศาสตร์นี้และภารกิจอื่นๆ ในญี่ปุ่นได้ให้ข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับผลกระทบของระเบิดปรมาณู และนำไปสู่การก่อตั้ง คณะกรรมการผู้ ^{ประสบ}ภัยจากระเบิดปรมาณู^[ 331 ^]

เพื่อเป็นการเตรียมพร้อมรับมือกับการทิ้งระเบิด โกรฟส์ได้มอบหมายให้เฮนรี เดอวูล์ฟ สมิธ นักฟิสิกส์ จัดทำประวัติทางเทคนิคของโครงการฉบับปรับปรุงเพื่อเผยแพร่สู่สาธารณะ แนวคิดในการเผยแพร่ข้อมูลดังกล่าวอย่างเสรีนั้นก่อให้เกิดข้อถกเถียง การตัดสินใจดังกล่าวเกิดขึ้นโดยทรูแมนเองรายงานสมิธได้รับการเผยแพร่สู่สาธารณะในวันที่ 12 สิงหาคม พ.ศ. 2488 ^{[ 332 ]}

ญี่ปุ่นประกาศยอมจำนนในวันที่ 15 สิงหาคม^{[ 333 ]}ความจำเป็นของการทิ้งระเบิดกลายเป็นประเด็นถกเถียงในหมู่นักประวัติศาสตร์บางคนตั้งคำถามว่า "การทูตปรมาณู" จะบรรลุเป้าหมายเดียวกันหรือไม่ และน้ำหนักสัมพัทธ์ของระเบิดและการประกาศสงครามของโซเวียตมีผลต่อความเต็มใจของญี่ปุ่นที่จะยอมจำนน มากน้อยเพียงใด ^{[ 334 ]}รายงาน Franckเป็นความพยายามที่โดดเด่นที่สุดในการผลักดันให้มีการสาธิต แต่ถูกปฏิเสธโดยคณะนักวิทยาศาสตร์ของคณะกรรมการชั่วคราว^{[ 335 ]}คำร้องSzilárdซึ่งร่างขึ้นในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2488 และลงนามโดยนักวิทยาศาสตร์หลายสิบคนที่ทำงานในโครงการแมนฮัตตัน เป็นความพยายามครั้งสุดท้ายในการเตือนทรูแมนเกี่ยวกับความรับผิดชอบของเขาในการใช้อาวุธดังกล่าว^{[ 336 ] [ 337 ]}